Una nueva «armadura química» podría abrir el camino hacia el santo grial de la tecnología de las baterías de estado sólido
Un sencillo recubrimiento en un solo paso crea una capa protectora híbrida de silicio e indio sobre el litio metálico, lo que cuadruplica la densidad de corriente y prolonga la vida útil de la batería.
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¿Y si recargar tu coche eléctrico no llevara más tiempo que llenar el depósito de gasolina y la batería durara décadas? Los científicos llevan mucho tiempo depositando sus esperanzas en las baterías de litio metálico para hacer esto realidad. Conocido como el «santo grial» del almacenamiento de energía, el litio metálico ofrece una capacidad teórica casi diez veces superior a la del grafito que se utiliza actualmente en los smartphones y los vehículos eléctricos. Sin embargo, cada vez que los investigadores se acercan a su objetivo, el metal genera filamentos microscópicos con forma de árbol, llamados dendritas, que perforan la batería, provocan cortocircuitos e incluso pueden desencadenar incendios.
Esta ilustración muestra la formación in situ de la capa intermedia de PFSIn-Li sobre un ánodo de litio metálico. Un precursor líquido que contiene un polímero de siloxano fluorado y una sal de indio reacciona sobre la superficie del litio para generar una película híbrida multifuncional. La red de polímeros orgánicos se entrelaza con nanodominios inorgánicos de fluoruro de litio, aleación de litio e indio y óxido de litio y silicio, lo que frena el crecimiento de dendritas y estabiliza la interfaz con el electrolito sólido de sulfuro.
©Science China Press
Ahora, un equipo de la Universidad de Xidian, en China, podría haber encontrado una forma de domar este metal rebelde con un truco químico sorprendentemente sencillo: recubrir su superficie con un líquido que se convierte in situ en una armadura duradera y multifuncional.
En un estudio publicado en SCIENCE CHINA Chemistry, los investigadores dirigidos por los profesores Siwu Li, Weiwei Wu y Chuang Yu describen un recubrimiento moldeado en solución en un solo paso que transforma la superficie estándar del litio metálico en un escudo híbrido. El recubrimiento combina un polímero a base de silicio con cloruro de indio. Al aplicarlo al litio, la actividad química natural del metal desencadena una reacción de reducción in situ. Los grupos de flúor del polímero se convierten en fluoruro de litio, un aislante eléctrico extremadamente resistente, mientras que los iones de indio se reducen y se alean con el litio para formar diminutas nanopartículas. Todo esto ocurre dentro de una película flexible de 12 micrómetros de espesor que se adhiere firmemente a la superficie del litio.
«Esta capa híbrida actúa como una fortaleza inteligente», explica el autor correspondiente, Siwu Li. «La estructura del polímero proporciona flexibilidad para absorber la tensión mecánica que se produce al expandirse y contraerse el litio. La fase de fluoruro de litio bloquea los electrones para impedir la nucleación de dendritas. Y las nanopartículas de aleación de litio e indio actúan como reguladores de tráfico, guiando a los iones de litio para que se depositen de manera uniforme en lugar de acumularse en picos peligrosos».
Las cifras hablan por sí solas. En pruebas con celdas simétricas, el ánodo de litio protegido soportó una densidad de corriente crítica de 3,5 mA cm⁻², más de cuatro veces los 0,8 mA cm⁻² que el litio sin protección puede soportar antes de fallar. En celdas completas combinadas con un cátodo de óxido de níquel-cobalto-manganeso y un electrolito sólido de sulfuro, el nuevo diseño ofreció una capacidad inicial de 129,8 mA·h·g⁻¹ y conservó el 82,3 % de dicha capacidad tras 300 ciclos a 0,5 C. Las celdas de litio sin protección solo conservaron el 43,0 %.
Los investigadores utilizaron técnicas avanzadas de espectroscopia y microscopía para confirmar la arquitectura híbrida. La difracción de rayos X y la espectroscopia fotoelectrónica revelaron redes orgánicas de siloxano junto con fluoruro de litio cristalino, indio metálico y aleación de litio e indio. La microscopía electrónica de sección transversal mostró una película densa y uniforme, sin grietas ni huecos.
Es importante destacar que la composición química es compatible con la fabricación industrial «roll-to-roll». Dado que el recubrimiento se aplica como una simple solución líquida, podría integrarse en las líneas de producción de baterías existentes utilizando técnicas de recubrimiento con boquilla de ranura o de huecograbado, sin necesidad de costosas cámaras de vacío.
Las baterías de estado sólido se consideran ampliamente como la próxima frontera para los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía a escala de red, ya que sustituyen los electrolitos líquidos inflamables por materiales sólidos más seguros. Los electrolitos de sulfuro resultan especialmente atractivos debido a su conductividad iónica excepcionalmente alta, pero su inestabilidad frente al litio metálico ha supuesto un importante obstáculo. Esta nueva estrategia de ingeniería de interfaces elimina eficazmente ese obstáculo sin sacrificar el rendimiento.
El equipo cree que su enfoque abre la puerta al diseño de otras interfaces híbridas sustituyendo el indio por metales alternativos, como el estaño o el zinc. Por ahora, la combinación química de polisiloxano e indio ofrece una vía escalable y de bajo coste hacia baterías de alta energía y larga duración que, algún día, podrían alimentar todo, desde la aviación eléctrica hasta las redes de energía renovable.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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