16.07.2021 - Sandia National Laboratories

El culpable oculto que mata las baterías de litio-metal desde dentro

Unas instantáneas inéditas revelan un subproducto que paraliza las potentes pilas experimentales

Durante décadas, los científicos han intentado fabricar baterías de litio-metal fiables. Estas células de almacenamiento de alto rendimiento tienen un 50% más de energía que sus prolíficas primas de iones de litio, pero los mayores índices de fallo y los problemas de seguridad, como incendios y explosiones, han paralizado los esfuerzos de comercialización. Los investigadores han formulado hipótesis sobre las causas de los fallos de estos dispositivos, pero las pruebas directas han sido escasas.

Ahora, las primeras imágenes a nanoescala tomadas en el interior de baterías de litio-metal intactas (también llamadas pilas de botón o pilas de reloj) desafían las teorías predominantes y podrían ayudar a que las futuras baterías de alto rendimiento, como las de los vehículos eléctricos, sean más seguras, potentes y duraderas.

"Estamos aprendiendo que deberíamos utilizar materiales separadores adaptados al metal de litio", afirma la científica especializada en baterías Katie Harrison, que dirige el equipo de Sandia National Laboratories para mejorar el rendimiento de las baterías de metal de litio.

Los científicos de Sandia, en colaboración con Thermo Fisher Scientific Inc., la Universidad de Oregón y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, publicaron las imágenes recientemente en ACS Energy Letters. La investigación fue financiada por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Sandia y el Departamento de Energía.

El subproducto interno se acumula y mata las baterías

El equipo cargó y descargó repetidamente las pilas de litio tipo moneda con la misma corriente eléctrica de alta intensidad que necesitan los vehículos eléctricos para cargarse. Algunas pilas pasaron por unos pocos ciclos, mientras que otras pasaron por más de cien ciclos. A continuación, las pilas se enviaron a Thermo Fisher Scientific en Hillsboro, Oregón, para su análisis.

Cuando el equipo revisó las imágenes del interior de las baterías, esperaba encontrar depósitos de litio en forma de aguja que abarcaran toda la batería. La mayoría de los investigadores de baterías piensan que un pico de litio se forma después de ciclos repetitivos y que perfora el separador de plástico entre el ánodo y el cátodo, formando un puente que provoca un cortocircuito. Pero el litio es un metal blando, por lo que los científicos no han entendido cómo podría atravesar el separador.

El equipo de Harrison encontró un sorprendente segundo culpable: una acumulación dura formada como subproducto de las reacciones químicas internas de la batería. Cada vez que la batería se recargaba, el subproducto, llamado interfase de electrolito sólido, crecía. Al tapar el litio, abría agujeros en el separador, creando aperturas para que los depósitos de metal se extendieran y formaran un cortocircuito. Juntos, los depósitos de litio y el subproducto eran mucho más destructivos de lo que se creía, actuando menos como una aguja y más como un quitanieves.

"El separador queda completamente destrozado", dijo Harrison, y añadió que este mecanismo sólo se ha observado con las velocidades de carga rápidas necesarias para las tecnologías de vehículos eléctricos, pero no con velocidades de carga más lentas.

Mientras los científicos de Sandia piensan en cómo modificar los materiales del separador, Harrison dice que también será necesario seguir investigando para reducir la formación de subproductos.

Los científicos combinan el láser con la criogenia para obtener imágenes "frías

Determinar la causa de la muerte de una pila de botón es sorprendentemente difícil. El problema viene de su carcasa de acero inoxidable. La carcasa metálica limita lo que los diagnósticos, como los rayos X, pueden ver desde el exterior, mientras que la extracción de partes de la pila para su análisis desgarra las capas de la misma y distorsiona cualquier prueba que pueda haber en su interior.

"Tenemos diferentes herramientas que pueden estudiar distintos componentes de una batería, pero en realidad no hemos tenido una herramienta que pueda resolver todo en una sola imagen", dijo Katie Jungjohann, científica de imágenes a nanoescala de Sandia en el Centro de Nanotecnologías Integradas. El centro es una instalación para usuarios operada conjuntamente por los laboratorios nacionales de Sandia y Los Álamos.

Ella y sus colaboradores utilizaron un microscopio dotado de un láser para fresar la carcasa exterior de una batería. Lo emparejaron con un portamuestras que mantiene el electrolito líquido de la pila congelado a temperaturas entre 148 y 184 grados Fahrenheit bajo cero (100 y 120 grados Celsius bajo cero, respectivamente). El láser crea una abertura lo suficientemente grande como para que un estrecho haz de electrones entre y rebote en un detector, proporcionando una imagen de alta resolución de la sección transversal interna de la batería con suficiente detalle para distinguir los diferentes materiales.

El instrumento de demostración original, que era el único de este tipo en Estados Unidos en aquel momento, se construyó y aún reside en un laboratorio de Thermo Fisher Scientific en Oregón. Un duplicado actualizado se encuentra ahora en Sandia. La herramienta se utilizará ampliamente en Sandia para ayudar a resolver muchos problemas de análisis de materiales y fallos.

"Esto es lo que los investigadores de baterías siempre han querido ver", dijo Jungjohann.

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