Más alto, más rápido, más lejos con baterías de estado sólido
Nuevos hallazgos sobre los efectos de la carga espacial podrían mejorar la eficiencia
En el futuro, las baterías de estado sólido podrían almacenar electricidad de forma más eficiente y segura que las actuales baterías con electrolitos líquidos. Las cargas espaciales que se forman en las baterías de estado sólido han perjudicado hasta ahora su rendimiento. * Las cargas espaciales se forman principalmente en el terminal positivo de las baterías. Esto proporciona un punto de partida para evitar su formación modificando la estructura o el material del electrodo.
Ya sea en e-movilidad o en sistemas de almacenamiento estacionarios: Las baterías de estado sólido prometen más capacidad de almacenamiento y mayor seguridad. Esto se debe a que ya no utilizan un electrolito líquido, sino uno sólido. Por tanto, no pueden tener fugas, y el riesgo de incendio, que ocurre muy raramente con las baterías actuales pero es un tema recurrente de discusión, es prácticamente inexistente.
Los investigadores han analizado con más detalle la zona de carga espacial dentro de una batería de litio. Con sus investigaciones, esperan que estas baterías puedan ser aún más potentes en el futuro.
© MPI-P
Resistencia en la bomba de carga
Investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros y de universidades japonesas han abierto ahora la posibilidad de hacer más eficientes las baterías de estado sólido en un estudio publicado en la revista ACS Nano. "Una batería es una especie de bomba", explica Rüdiger Berger, jefe de grupo del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros. "Los iones, es decir, los átomos cargados, se mueven en su interior, lo que tiene que equilibrarse en el exterior con un flujo de electrones y, por tanto, con un flujo de corriente". Cuando los iones se mueven por el interior de la pila, puede formarse la llamada capa de carga espacial en las superficies limítrofes interiores de la pila. Éstas repelen a los demás iones que se desplazan. Esta capa de carga crea una resistencia adicional y, por tanto, pérdidas dentro de la batería, ya que dificulta tanto el proceso de carga como el de descarga.
Como ha descubierto el equipo de Maguncia, el efecto se produce principalmente en el electrodo positivo, donde se forma una capa de carga de menos de 50 nanómetros de espesor, tan fina como la parte más delgada de una pompa de jabón. Además, han establecido cuantitativamente que la capa de carga espacial es dinámica, es decir, depende del estado de carga de la batería. Esta capa de carga espacial representa alrededor del 7% de la resistencia total de la batería, pero también puede ser mucho mayor, dependiendo de los materiales utilizados para el electrolito.
Investigación durante el funcionamiento
Hasta ahora, poco se sabía sobre el tamaño de esta capa de carga y su influencia en el flujo de corriente. Varios equipos de investigación de todo el mundo ya habían investigado este efecto en estudios anteriores, pero habían llegado a conclusiones completamente diferentes sobre el grosor de la capa de carga en función del método utilizado.
Por ello, el equipo internacional dirigido por Rüdiger Berger utilizó por primera vez dos métodos microscópicos para investigar dónde y cómo se forma la capa de carga. El reto consistía en utilizar métodos microscópicos para analizar la capa límite de una batería modelo prácticamente durante su funcionamiento y en diferentes estados de carga.
Una mirada de cerca a las cargas espaciales
Para el estudio actual, los investigadores analizaron una batería modelo de película fina, que habían construido específicamente para este fin, utilizando por un lado la microscopía de fuerza de sonda Kelvin y por otro el análisis de reacción nuclear. Con la microscopía de fuerza de sonda Kelvin, pudieron escanear la sección transversal de la pila -una pila cortada y abierta, por así decirlo- con una aguja fina, aprendiendo así más sobre la influencia local del voltaje y observando los potenciales eléctricos en tiempo real. Mediante el análisis de reacciones nucleares, detectaron la acumulación de litio en la interfaz con el borne positivo de la pila.
"Ambas técnicas son nuevas en la investigación de baterías y pueden utilizarse también para otras cuestiones en el futuro", explica Taro Hitosugi, de la Universidad de Tokio. Los investigadores esperan ahora encontrar la forma de reducir la resistencia y aumentar aún más el rendimiento de las baterías de estado sólido modificando el material o la estructura del electrodo.
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