Cortocircuitos en baterías de estado sólido: el mecanismo por fin probado
Mediante criomicroscopía electrónica al vacío, un equipo del Max Planck ha resuelto un debate de una década sobre el agrietamiento inducido por dendritas
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Los teléfonos inteligentes, los vehículos eléctricos y muchos dispositivos portátiles dependen de las baterías. Su capacidad de almacenamiento de energía, su vida útil y su seguridad determinarán en gran medida el futuro de la electrificación. Entre las tecnologías de nueva generación más prometedoras están las baterías de estado sólido. Estas baterías permitirían que los smartphones funcionaran durante varios días en lugar de necesitar una carga diaria y que los vehículos eléctricos tuvieran una autonomía tres veces mayor que las opciones actuales.
Interior de una batería de iones de litio en comparación con una batería de estado sólido. Hasta ahora se ha impedido el uso generalizado de baterías de estado sólido debido a la formación de dendritas durante la carga.
P. Mehta: Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH
A diferencia de las actuales baterías de iones de litio, que utilizan un electrolito líquido entre dos electrodos sólidos, las baterías de estado sólido emplean un electrolito sólido. Este diseño puede aumentar la densidad energética, mejorar la seguridad y alargar la vida útil de la batería. Sin embargo, hay un problema importante que sigue limitando su uso comercial. Durante la carga, se forman intrusiones microscópicas conocidas como dendritas. Estas diminutas estructuras en forma de árbol crecen desde el ánodo, penetran en el electrolito sólido y provocan cortocircuitos en el interior de la batería.
Un equipo interdisciplinar del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles ha descubierto ahora cómo las dendritas inducen fracturas que provocan cortocircuitos. Los resultados se publican en la revista Nature.
¿Qué causa la rotura inducida por dendritas en las pilas de estado sólido?
La formación de dendritas en las pilas de estado sólido es un fenómeno contraintuitivo. "Aunque los electrodos y las dendritas que se forman son de litio metálico, que es blando como una gominola, las dendritas son capaces de penetrar en el electrolito cerámico y provocar un cortocircuito", explica Yuwei Zhang, primer autor de la nueva publicación y jefe del grupo "Quimio-mecánica de los materiales de las baterías" del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles. "¿Cómo pueden las dendritas blandas fracturar la rígida cerámica sólida? Hay dos hipótesis: o bien se acumula tensión interna dentro de las dendritas e induce la fractura mecánica del electrolito sólido. O bien, los electrones se filtran a lo largo de los límites de grano del electrolito sólido promoviendo la formación de núcleos de litio que se interconectan posteriormente".
Para probar cualquiera de las dos hipótesis, los investigadores utilizaron una compleja configuración de técnicas de preparación de muestras y caracterización de materiales, caracterizados totalmente al vacío y a temperaturas criogénicas para excluir cualquier influencia del oxígeno, el agua o el haz de electrones de los microscopios.
El equipo Max Planck analizó el estado de tensión y la actividad plástica de las dendritas de litio confinadas dentro de las grietas y pudo demostrar que no se enriquecía litio por delante de la punta de la dendrita. "El metal de litio blando es capaz de penetrar en el electrolito cerámico rígido, como un chorro de agua continuo que penetra en una roca. Calculamos que la tensión hidrostática en la dendrita conduce al final a la fractura frágil del electrolito sólido", afirma Zhang. Otras simulaciones de campo de fases y mediciones de difracción de electrones retrodispersados corroboraron sus conclusiones.
Posibles formas de prevenir o retrasar el agrietamiento inducido por dendritas
Tras descubrir cómo se produce el agrietamiento inducido por dendritas, los investigadores están estudiando estrategias para evitarlo. Entre ellas, aumentar la dureza del electrolito sólido para retrasar la formación de grietas, introducir huecos microscópicos que redirijan el crecimiento de las dendritas y desvíen las grietas, o aplicar recubrimientos protectores a los electrodos de litio para suprimir la formación de dendritas.
Estos descubrimientos ponen de relieve la importancia fundamental de comprender el comportamiento de los materiales para convertir tecnologías prometedoras en aplicaciones prácticas en el mundo real.
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