La membrana híbrida duplica la vida útil de las baterías recargables
Los químicos evitan la formación de dendritas en las baterías de litio-metal
La densidad energética de las baterías tradicionales de iones de litio se está acercando a un punto de saturación que no puede satisfacer las demandas del futuro, por ejemplo en los vehículos eléctricos. Las baterías de litio-metal pueden proporcionar el doble de energía por unidad de peso en comparación con las de iones de litio. El mayor reto, que obstaculiza su aplicación, es la formación de dendritas de litio, pequeñas estructuras en forma de aguja, similares a las estalagmitas de una cueva de piedra, sobre el ánodo de metal de litio. Estas dendritas suelen seguir creciendo hasta perforar la membrana del separador, provocando un cortocircuito en la batería y, en última instancia, destruyéndola.
Prototipos de baterías de metal de litio con separadores modificados con nanomembranas de carbono
Sathish Rajendran/Wayne State University
Desde hace años, expertos de todo el mundo buscan una solución a este problema. Científicos de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, junto con colegas de la Universidad de Boston (BU) y la Universidad Estatal de Wayne (WSU), han conseguido ahora evitar la formación de dendritas y, por tanto, duplicar al menos la vida útil de una batería de litio-metal.
Una membrana bidimensional impide la formación de dendritas
Durante el proceso de transferencia de carga, los iones de litio van y vienen entre el ánodo y el cátodo. Cada vez que recogen un electrón, depositan un átomo de litio y estos átomos se acumulan en el ánodo. Se forma una superficie cristalina que crece tridimensionalmente donde se acumulan los átomos, creando las dendritas. Los poros de la membrana del separador influyen en la nucleación de las dendritas. Si el transporte de iones es más homogéneo, se puede evitar la nucleación de dendritas.
"Por eso aplicamos al separador una membrana bidimensional extremadamente fina hecha de carbono, cuyos poros tienen un diámetro inferior a un nanómetro", explica el profesor Andrey Turchanin, de la Universidad de Jena. "Estas diminutas aberturas son más pequeñas que el tamaño crítico del núcleo y, por tanto, impiden la nucleación que conduce a la formación de dendritas. En lugar de formar estructuras dendríticas, el litio se deposita en el ánodo como una película lisa". No hay riesgo de que la membrana del separador se dañe por ello y la funcionalidad de la batería no se ve afectada.
"Para probar nuestro método, recargamos una y otra vez baterías de prueba equipadas con nuestra membrana separadora híbrida", afirma el doctor Antony George, de la Universidad de Jena. "Incluso después de cientos de ciclos de carga y descarga, no pudimos detectar ningún crecimiento dendrítico".
"La innovación clave aquí es la estabilización de la interfaz electrodo/electrolito con una membrana ultrafina que no altera el proceso actual de fabricación de la batería", afirma la profesora asociada Leela Mohana Reddy Arava, de la WSU. "La estabilidad de la interfaz es clave para mejorar el rendimiento y la seguridad de un sistema electroquímico".
Se ha solicitado una patente
Las baterías de alta densidad energética amplían la autonomía de los vehículos eléctricos (VE) por el mismo peso/volumen de la batería que posee un VE moderno y hacen que los dispositivos electrónicos portátiles duren más en una sola carga. "El separador es el que menos atención recibe en comparación con los demás componentes de la batería", afirma Sathish Rajendran, estudiante de posgrado de la WSU. "La medida en que una membrana bidimensional de un nanómetro de grosor en el separador podría marcar la diferencia en la vida útil de una batería es fascinante".
Por ello, el equipo de investigación confía en que sus descubrimientos puedan dar lugar a una nueva generación de baterías de litio. Por eso han solicitado una patente para su método. El siguiente paso es ver cómo se puede integrar la aplicación de la membrana bidimensional en el proceso de fabricación. Los investigadores también quieren aplicar la idea a otros tipos de baterías.
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