¿Qué sigue para la tecnología de baterías? Un estudio de Oxford podría desbloquear baterías "revolucionarias" para vehículos eléctricos y aviación.

Investigadores han utilizado técnicas de imagen avanzadas para entender las causas del fallo en las baterías de estado sólido de metal de litio (Li-SSBs), según un estudio publicado en Nature. A diferencia de las baterías convencionales, Li-SSBs reemplazan el electrolito líquido inflamable con uno sólido y utilizan metal de litio como el ánodo. Esto permite una mejor seguridad y un mayor almacenamiento de energía, lo que podría revolucionar los sectores de vehículos eléctricos (EV) y aviación.

Investigadores de la Universidad de Oxford han descubierto cómo las baterías de estado sólido de metal de litio (Li-SSBs) fallan, lo que podría allanar el camino para mejorar las baterías de EV. El equipo identificó que la formación y el crecimiento de "dendritas" causan cortocircuitos en las baterías, ideas que podrían ayudar a abordar los obstáculos tecnológicos en el desarrollo de baterías de estado sólido.

Baterías de vehículos eléctricos (EV) significativamente mejoradas podrían estar más cerca gracias a un nuevo estudio liderado por investigadores de la Universidad de Oxford, publicado el 7 de junio en Nature. Se revelaron mecanismos que causan que las baterías de estado sólido de metal de litio (Li-SSBs) fallen mediante el uso de técnicas de imagen avanzadas. Si se pueden superar estos desafíos, las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de metal de litio podrían brindar una mejora significativa en el alcance, la seguridad y el rendimiento de las baterías de EV, y ayudar a avanzar en la aviación impulsada eléctricamente.

Uno de los coautores líderes del estudio, Dominic Melvin, estudiante de doctorado en el Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford, dijo: "El progreso en las baterías de estado sólido con ánodos de metal de litio es uno de los desafíos más importantes en el avance de las tecnologías de baterías. Mientras que las baterías de ion de litio de hoy continuarán mejorando, la investigación en baterías de estado sólido tiene el potencial de ser una tecnología de alto retorno y que cambia el juego".

Las Li-SSBs son distintas de otras baterías porque reemplazan el electrolito líquido inflamable en las baterías convencionales con un electrolito sólido y utilizan metal de litio como el ánodo (electrodo negativo). El uso del electrolito sólido mejora la seguridad, y el uso de metal de litio significa que se puede almacenar más energía. Sin embargo, uno de los desafíos críticos de las Li-SSBs es que son propensas a cortocircuito durante la carga debido al crecimiento de "dendritas": filamentos de metal de litio que se abren paso a través del electrolito cerámico. Como parte del proyecto SOLBAT de la Institución Faraday, investigadores de los Departamentos de Materiales, Química e Ingeniería de la Universidad de Oxford lideraron una serie de investigaciones exhaustivas para comprender mejor cómo se produce este cortocircuito.

Imágenes de tomografía computarizada de rayos X que muestran el crecimiento progresivo de una grieta de dendrita de litio dentro de una batería de estado sólido durante el proceso de carga. Crédito: Dominic Melvin, Nature, 2023.

En este último estudio, el grupo utilizó una técnica de imagen avanzada llamada tomografía computarizada de rayos X en Diamond Light Source para visualizar el fallo de las dendritas en detalle sin precedentes durante el proceso de carga. El nuevo estudio de imagen reveló que la iniciación y propagación de las grietas de dendritas son procesos separados, impulsados por mecanismos subyacentes distintos. Las grietas de dendrita se inician cuando el litio se acumula en los poros subsuperficiales. Cuando los poros se llenan, la carga adicional de la batería aumenta la presión, lo que conduce a la aparición de grietas. En contraste, la propagación ocurre con litio llenando solo parcialmente la grieta, a través de un mecanismo de apertura en cuña que impulsa la grieta desde la parte posterior.

Este nuevo entendimiento señala el camino a seguir para superar los desafíos tecnológicos de las Li-SSBs. Dominic Melvin dijo: "Por ejemplo, si bien la presión en el ánodo de litio puede ser buena para evitar que se desarrollen brechas en la interfaz con el electrolito sólido en la descarga, nuestros resultados demuestran que demasiada presión puede ser perjudicial, haciendo que la propagación de dendritas y el cortocircuito en la carga sean más probables".

Sir Peter Bruce, Presidente Wolfson, Profesor de Materiales de la Universidad de Oxford, Científico Jefe de la Institución Faraday y autor correspondiente del estudio, dijo: "El proceso por el cual un metal blando como el litio puede penetrar un electrolito cerámico duro y altamente denso ha resultado difícil de entender con muchas contribuciones importantes de excelentes científicos de todo el mundo. Esperamos que los conocimientos adicionales que hemos adquirido ayuden al progreso de la investigación de baterías de estado sólido hacia un dispositivo práctico".

Según un informe reciente de la Institución Faraday, las SSB pueden satisfacer el 50% de la demanda global de baterías en electrónica de consumo, el 30% en transporte y más del 10% en aviones para 2040.

Professor Pam Thomas, CEO, Faraday Institution, said: “SOLBAT researchers continue to develop a mechanistic understanding of solid-state battery failure – one hurdle that needs to be overcome before high-power batteries with commercially relevant performance could be realized for automotive applications. The project is informing strategies that cell manufacturers might use to avoid cell failure for this technology. This application-inspired research is a prime example of the type of scientific advances that the Faraday Institution was set up to drive.”