Una de las muchas formas en que los científicos esperan mejorar el rendimiento de las baterías de litio de hoy en día es cambiando algunos de los componentes líquidos por sólidos. Conocidos como baterías de estado sólido, estos dispositivos experimentales podrían extender enormemente la vida útil de los vehículos eléctricos y dispositivos móviles al aumentar significativamente la densidad de energía acumulada en su interior.
Los científicos del MIT ahora informan un avance emocionante hacia este futuro, demostrando un nuevo tipo de arquitectura de batería de estado sólido que supera algunas limitaciones de los diseños actuales.En una batería de litio normal, un electrolito líquido sirve como medio a través del cual los iones de litio viajan de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo a medida que la batería se carga y descarga.
Un problema es que este líquido es altamente volátil y a veces puede provocar incendios de batería, como los que asolaron el teléfono inteligente Galaxy Note 7 de Samsung. Reemplazar este electrolito líquido por un material sólido no solo haría que las baterías sean más seguras y menos propensas a los incendios, sino que también podría abrir nuevas posibilidades para otros componentes clave de la batería.
El ánodo en las baterías de litio actuales está hecho de una mezcla de cobre y grafito, pero si estuviera hecho de litio puro, podría romper el “cuello de botella de densidad de energía de la química actual de iones de litio”, según un reciente estudio publicado en Tendencias en química. Por lo tanto, el enorme potencial de un ánodo de litio puro lo convierte en una alta prioridad entre los investigadores de baterías, y un paso clave es la introducción de un electrolito sólido viable para que funcione. Pero también hay obstáculos importantes con eso. A medida que la batería se recarga, los átomos se acumulan dentro del metal de litio, lo que hace que se expanda y disminuya durante el uso, haciendo que el metal se contraiga.
Esto hace que el contacto constante entre los materiales sea casi imposible y puede provocar la fractura del electrolito. Este es el problema que la nueva arquitectura de batería del MIT podría superar. Implica una combinación de materiales sólidos conocidos como conductores iónicos-electrónicos mixtos (MIEC) y aisladores de iones de litio y electrones (ELI). Estos se construyeron en una arquitectura tridimensional en forma de panal, con una serie de tubos a nanoescala hechos de MIEC que forman la pieza crucial del rompecabezas. Estos tubos se infunden con metal de litio sólido para formar el ánodo de la batería.
Y debido a que hay espacio adicional dentro de cada uno de estos tubos, el metal de litio tiene espacio libre para expandirse y encogerse durante la carga y descarga. De esta manera, el material recorre una línea fina entre un material sólido y líquido, moviéndose de manera muy parecida a un líquido pero manteniendo una estructura cristalina sólida durante todo el proceso.
Todo esto tiene lugar dentro del ánodo con estructura de panal, con el ELI cubriendo las paredes de los tubos y actuando como un aglutinante entre ellos y el electrolito sólido. Esto significa que a medida que la batería se carga, las dimensiones fluctuantes del metal de litio están completamente contenidas dentro de la estructura y sus dimensiones externas no cambian.
