El MIT descifra el antídoto contra las dendritas que puede impulsar definitivamente las baterías de estado sólido

La industria del automóvil trabaja incansablemente en la transición al coche eléctrico, para lo cual debe mejorar la tecnología existente en la actualidad. La batería es posiblemente el componente con mayor margen de mejora, pues las celdas de iones de litio convencionales cuentan aún con muchas limitaciones.

Los fabricantes tienen la esperanza de dar un gran paso adelante con la introducción de las baterías de estado sólido, que prometen más rendimiento, seguridad y fiabilidad. Sin embargo, las perspectivas de su introducción en el mercado apuntan a finales de la presente década, por lo que queda claro que aún quedan importantes retos por superar para que esta tecnología sea viable.

«La solución al problema pasar por generar aún más tensión, pero aplicada en una dirección y cantidad concretas»

El descubrimiento de los ingenieros del MIT

Según afirma una publicación del prestigioso Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés), uno de esos complejos retos puede estar ya solventado. Se trata de la influencia negativa que tiene la formación de dendritas en las baterías, en este caso de estado sólido.

Las baterías de estado sólido permiten soñar con baterías de litio recargables más livianas, compactas y seguras. Esto es gracias a la sustitución del electrolito líquido situado entre los electrodos positivo y negativo por una capa más delgada y ligera de material cerámico sólido.

Sin embargo, esto plantea el problema de la formación de dendritas, pequeños filamentos de metal que pueden acumularse en la superficie del litio y penetrar en el electrolito sólido, cruzando hacia el otro electrodo y provocando un cortocircuito.

Por el momento, no existe un consenso sobre qué provoca estas dendritas y, por tanto, cómo prevenirlas. Sin embargo, el profesor del MIT Yet-Ming Chiang, el estudiante graduado Cole Fincher y otros cinco estudiantes del MIT y la Universidad de Brown creen haber resuelto el problema.

Controlar el crecimiento de las dendritas

En concreto, el descubrimiento de estos científicos consiste en encontrar la manera de hacer que estas dendritas no atraviesen el electrolito, minimizando sus efectos nocivos.

«El material de electrolito sólido y duro utilizado para una batería de estado sólido puede ser penetrado por litio, que es un metal muy blando, durante el proceso de carga y descarga de la batería, ya que los iones de litio se mueven entre los dos lados», explica Chiang.

Este vaivén de iones hace que cambie el volumen de los electrodos. Eso inevitablemente provoca tensiones en el electrolito sólido, que tiene que permanecer completamente en contacto con los dos electrodos entre los que está intercalado. «Para depositar este metal, tiene que haber una expansión del volumen porque estás agregando nueva masa», prosigue Chiang. «Entonces, hay un aumento en el volumen en el lado de la celda donde se deposita el litio. E incluso si se producen defectos microscópicos, esto generará una presión sobre esas defectos que puede causar grietas».

Pues bien, según el equipo del MIT, son esas grietas las que permiten que se formen las dendritas y la solución al problema pasar por generar aún más tensión, pero aplicada en una dirección y cantidad concretas.

Cómo crear dendritas a voluntad

Las dendritas se forman en lo más profundo de los materiales opacos de las celdas de las baterías, por lo que no es posible observar su creación directamente. Para resolver eso, Fincher creó celdas delgadas con electrolito transparente para ver y registrar el proceso.

Gracias a eso, el equipo ha podido demostrar que es posible manipular el crecimiento de las dendritas mediante la gestión de la presión, y que estas zigzaguean alineadas en función de la dirección en la que se aplica dicha fuerza.

Es decir, la aplicación de tensiones mecánicas al electrolito sólido no elimina la formación de dendritas, pero sí controla la dirección de su crecimiento. Esto significa que se pueden dirigir para que permanezcan paralelas a los dos electrodos y así evitar que crucen al otro lado y, por lo tanto, se vuelvan inofensivas.

La presión requerida es «conmensurable con las tensiones que comúnmente se inducen en los procesos comerciales de crecimiento de películas y muchos otros procesos de fabricación, por lo que no debería ser difícil de implementar en la práctica», agrega Fincher.

Habiendo demostrado los principios básicos involucrados, el siguiente paso del equipo será tratar de aplicarlos a la creación de un prototipo de batería funcional, dice Chiang, y luego descubrir exactamente qué procesos de fabricación serían necesarios para producir tales baterías en cantidad.

Aunque han solicitado una patente, los investigadores no planean comercializar el sistema por sí mismos, dice Chiang, puesto que ya hay empresas que trabajan en el desarrollo de baterías de estado sólido.

«Diría que esto es una comprensión de los modos de fallo en las baterías de estado sólido que creemos que la industria debe conocer y tratar de usar para diseñar mejores productos», concluye.