Actualmente, las baterías de iones de litio dominan el mercado. Están presentes en los dispositivos portátiles más pequeños, pasando por todos los teléfonos inteligentes hasta llegar a aplicaciones de gran volumen como los vehículos eléctricos y tecnologías de almacenamiento de energía solar y eólica. A muy pequeña escala, en su interior almacenan átomos de litio cargados positivamente en una estructura de carbono similar a una jaula que recubre un electrodo. Alternativamente, en las baterías de metal de litio, este cubre directamente el electrodo, lo que permite empaquetar 10 veces más litio en el mismo espacio y duplicar el rendimiento de la batería.
Sin embargo, ese mayor rendimiento conlleva un peligro. El litio reacciona fácilmente con los productos químicos y puede corroerse tan rápido como se agrega el metal al electrodo, lo que aumenta el riesgo de incendios y explosiones.
Revelada por primera vez la verdadera forma del litio
Investigadores del Instituto de Nanosistemas de la Universidad de California Los Ángeles (UCLA) han revelado un hallazgo fundamental para producir baterías de metal de litio más seguras que superan a las de iones de litio actuales sin riesgos de seguridad. Han desarrollado un método para depositar el metal de litio más rápido de lo que puede corroerse, lo que les permite ver la forma en que se organizan los átomos del metal: por primera vez, se desvela la verdadera forma del litio.
El litio metálico reacciona tan fácilmente con los productos químicos que, en condiciones normales, la corrosión se forma casi inmediatamente, mientras el metal se deposita sobre una superficie como un electrodo. La revista Nature publica el trabajo de los científicos de UCLA donde explican que desarrollaron una técnica que evita esa corrosión.
Demostraron que, en su ausencia, los átomos de litio se ensamblan en una forma sorprendente: el dodecaedro rómbico, una figura de 12 lados similar a los dados que se usan en juegos de rol, como Dragones y Mazmorras.
"Hay miles de artículos sobre el litio metálico y la mayoría de las descripciones de la estructura son cualitativas, como 'grueso' o 'en forma de columna'", afirma en un comunicado Yuzhang Li, profesor asistente de Ingeniería Química y Biomolecular en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA, miembro de CNSI y autor del estudio.
"Fue sorprendente para nosotros descubrir que, cuando evitamos la corrosión de la superficie, en lugar de estas formas mal definidas, vemos un poliedro singular que coincide con las predicciones teóricas basadas en la estructura cristalina del metal. En última instancia, este estudio nos permite revisar cómo entendemos baterías de metal de litio", añade Li.
El proceso para colocar el revestimiento de litio se basa en una técnica que tiene más de 200 años. Emplea electricidad y soluciones de sales llamadas electrolitos que no hay que confundir con el que sirve de soporte para que viajen los iones de litio. A menudo, el litio forma filamentos ramificados microscópicos con puntas que sobresalen. En una batería, si dos de esos picos se entrecruzan, pueden provocar un cortocircuito y una explosión.
La revelación de la verdadera forma del litio, es decir, en ausencia de corrosión, sugiere que el riesgo de explosión de las baterías de metal de litio puede reducirse, porque los átomos se acumulan de forma ordenada en lugar de entrecruzarse. El descubrimiento también podría tener implicaciones sustanciales para la tecnología energética de alto rendimiento.
"Científicos e ingenieros llevan más de dos décadas investigando sobre la síntesis de metales como el oro, el platino y la plata en formas como nanocubos, nanoesferas y nanobarras", dijo Li. "Ahora que conocemos la forma del litio, la pregunta es: ¿podemos ajustarlo para que forme cubos, que puedan empaquetarse densamente para aumentar tanto la seguridad como el rendimiento de las baterías?"
Hasta ahora, la opinión predominante había sido que la elección de electrolitos en solución determina la forma del litio en una superficie, ya sea que la estructura se asemeje a trozos o columnas. Los investigadores de UCLA tienen una idea diferente. "Queríamos ver si podíamos depositar litio tan rápido que superáramos la reacción que causa la película de corrosión", explica Xintong Yuan, estudiante de doctorado de UCLA y primer autor del estudio. "De esa manera, podríamos ver potencialmente cómo el litio quiere crecer en ausencia de esa película".
El trabajo de laboratorio
Los investigadores desarrollaron una nueva técnica para depositar litio más rápido que las formas de corrosión. Pasaron corriente a través de un electrodo mucho más pequeño para expulsar la electricidad más rápido, de forma muy similar a la forma en que el bloqueo parcial de la boquilla de una manguera de jardín hace que el agua salga disparada con más fuerza. Sin embargo, se requería un equilibrio, porque acelerar demasiado el proceso conduciría a las mismas estructuras puntiagudas que causan los cortocircuitos. El equipo abordó ese problema ajustando la forma de su pequeño electrodo.
Colocaron litio en superficies usando cuatro electrolitos diferentes, comparando los resultados entre una técnica estándar y su nuevo método. Con la corrosión, el litio formó cuatro formas microscópicas distintas. Sin embargo, con su proceso libre de corrosión, encontraron que el litio formaba dodecaedros minúsculos, no más grandes que 2 millonésimas de metro, o aproximadamente la longitud promedio de una sola bacteria, en los cuatro casos.
Los investigadores pudieron ver la forma del litio gracias a una técnica de imagen llamada microscopía crioelectrónica, o crio-EM, que emite electrones a través de muestras congeladas para mostrar detalles hasta el nivel atómico, mientras inhibe el daño a las muestras.
