Nuevo proceso para baterías de estado sólido estables y duraderas
"Unos pocos ajustes más - y podríamos empezar"
Investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI) han logrado un gran avance en el camino hacia la aplicación práctica de las baterías de metal de litio de estado sólido, la próxima generación de baterías que pueden almacenar más energía, son más seguras y se cargan más rápido que las baterías de iones de litio convencionales.
Las baterías totalmente de estado sólido se consideran una solución prometedora para la electromovilidad, la electrónica móvil y el almacenamiento de energía estacionaria, en parte porque no necesitan electrolitos líquidos inflamables y, por tanto, son intrínsecamente más seguras que las baterías de iones de litio convencionales.
Sin embargo, hay dos problemas clave que dificultan su comercialización: Por un lado, la formación de dendritas de litio en el ánodo sigue siendo un punto crítico. Se trata de diminutas estructuras metálicas en forma de aguja que pueden penetrar en el electrolito sólido que conduce los iones de litio entre los electrodos, propagarse hacia el cátodo y, en última instancia, provocar cortocircuitos internos. Por otro lado, una inestabilidad electroquímica -en la interfaz entre el ánodo de metal de litio y el electrolito sólido- puede mermar el rendimiento y la fiabilidad de la batería a largo plazo.
Para superar estos dos obstáculos, el equipo dirigido por Mario El Kazzi, jefe del grupo de Materiales y Diagnóstico de Baterías del Instituto Paul Scherrer PSI, desarrolló un nuevo proceso de producción: "Combinamos dos enfoques que, juntos, densifican el electrolito y estabilizan la interfaz con el litio", explica el científico. El equipo ha publicado estos resultados en la revista Advanced Science.
El problema de la densificación
El elemento central del estudio del PSI es la argirodita de tipo Li₆PS₅Cl (LPSCl), un electrolito sólido a base de sulfuro de litio, fósforo y azufre. Este mineral presenta una elevada conductividad de iones de litio, lo que permite un rápido transporte de iones dentro de la batería, un requisito crucial para obtener un alto rendimiento y unos procesos de carga eficientes. Esto convierte a los electrolitos basados en argirodita en candidatos prometedores para las baterías de estado sólido. Hasta ahora, sin embargo, su aplicación se ha visto obstaculizada por la dificultad de densificar el material lo suficiente como para evitar la formación de huecos en los que pudieran penetrar las dendritas de litio.
Para densificar el electrolito sólido, los grupos de investigación han recurrido a uno de estos dos métodos: aplicar una presión muy alta para comprimir el material a temperatura ambiente o emplear procesos que combinan presión con temperaturas superiores a 400 grados Celsius. En este último método, conocido como sinterización clásica, la aplicación de calor y presión hace que las partículas se fundan en una estructura más densa.
Sin embargo, ambos métodos pueden provocar efectos secundarios indeseables: La compresión a temperatura ambiente es insuficiente porque da lugar a una microestructura porosa y a un crecimiento excesivo del grano. Por otra parte, el procesamiento a temperaturas muy elevadas conlleva el riesgo de romper el electrolito sólido. Por ello, los investigadores del PSI tuvieron que buscar un nuevo enfoque para obtener un electrolito robusto y una interfaz estable.
El truco de la temperatura
Para densificar la argirodita y convertirla en un electrolito homogéneo, El Kazzi y su equipo incorporaron el factor de la temperatura, pero de una forma más cuidadosa: En lugar del clásico proceso de sinterización, optaron por un método más suave en el que el mineral se comprimió a una presión moderada y a una temperatura moderada de sólo unos 80 grados centígrados. Esta sinterización suave dio buenos resultados: El calor y la presión moderados garantizaron que las partículas se dispusieran como se deseaba sin alterar la estabilidad química del material. Las partículas del mineral se unieron estrechamente entre sí, las zonas porosas se hicieron más compactas y las pequeñas cavidades se cerraron. El resultado es una microestructura compacta y densa resistente a la penetración de dendritas de litio. Ya en esta forma, el electrolito sólido es idóneo para el transporte rápido de iones de litio.
Sin embargo, no bastaba con una sinterización suave. Para garantizar un funcionamiento fiable incluso a altas densidades de corriente, como las que se dan durante la carga y descarga rápidas, la célula totalmente de estado sólido requería una modificación adicional. Para ello, se evaporó al vacío una capa de fluoruro de litio (LiF) de sólo 65 nanómetros de grosor, que se aplicó uniformemente a la superficie del litio como capa de pasivación ultrafina en la interfaz entre el ánodo y el electrolito sólido.
Esta capa intermedia cumple una doble función: Por un lado, impide la descomposición electroquímica del electrolito sólido al entrar en contacto con el litio, suprimiendo así la formación de litio "muerto" e inactivo. Por otro lado, actúa como barrera física, impidiendo la penetración de las dendritas de litio en el electrolito sólido.
Mejores resultados tras 1.500 ciclos
En pruebas de laboratorio con pilas de botón, la batería demostró un rendimiento extraordinario en condiciones exigentes. "Su estabilidad de ciclo a alto voltaje fue notable", afirma el doctorando Jinsong Zhang, autor principal del estudio. Tras 1.500 ciclos de carga y descarga, la pila seguía conservando aproximadamente el 75% de su capacidad original. Esto significa que tres cuartas partes de los iones de litio seguían migrando del cátodo al ánodo. "Un resultado extraordinario. Estos valores están entre los mejores registrados hasta la fecha". Zhang ve, por tanto, muchas posibilidades de que las baterías totalmente de estado sólido superen pronto a las convencionales de iones de litio con electrolito líquido en cuanto a densidad energética y durabilidad.
Así, El Kazzi y su equipo han demostrado por primera vez que la combinación de sinterización suave del electrolito sólido y una fina capa de pasivación sobre el ánodo de litio suprime eficazmente tanto la formación de dendritas como la inestabilidad interfacial, dos de los retos más persistentes en las baterías totalmente de estado sólido. Esta solución combinada supone un importante avance en la investigación de las baterías de estado sólido, sobre todo porque ofrece ventajas ecológicas y económicas: Gracias a las bajas temperaturas, el proceso ahorra energía y, por tanto, costes. "Nuestro método es una solución práctica para la producción industrial de baterías de estado sólido a base de argirodita", afirma El Kazzi. "Unos pocos ajustes más y podríamos empezar".
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