Adiós a uno de los mayores problemas de las baterías de litio, la formación de dendritas

La densidad de energía de las baterías de iones de litio tradicionales se está acercando a un punto de saturación que no puede satisfacer las demandas del futuro, por ejemplo, en los vehículos eléctricos. Las baterías de metal de litio pueden proporcionar el doble de energía por unidad de peso en comparación con las baterías de iones de litio.

El mayor desafío, que dificulta su aplicación, es la formación de dendritas de litio, pequeñas estructuras en forma de aguja, similares a estalagmitas en una cueva, sobre el ánodo de metal de litio. Estas dendritas a menudo continúan creciendo hasta que perforan la membrana del separador, provocando un cortocircuito en la batería, destruyéndola finalmente.

Desde hace muchos años, los expertos de todo el mundo buscan una solución a este problema. Los científicos de la Universidad Friedrich Schiller en Jena, junto con colegas de la Universidad de Boston y la Universidad Estatal de Wayne, ahora han logrado prevenir la formación de dendritas y, por lo tanto, al menos duplicar la vida útil de una batería de metal de litio. Los investigadores informan sobre su método en la reconocida revista "Advanced Energy Materials".

La membrana bidimensional

Durante el proceso de transferencia de carga, los iones de litio se mueven hacia adelante y hacia atrás entre el ánodo y el cátodo. Siempre que recogen un electrón, depositan un átomo de litio y estos átomos se acumulan en el ánodo. Se forma una superficie cristalina, que crece tridimensionalmente donde se acumulan los átomos, creando las dendritas. Los poros de la membrana separadora influyen en la nucleación de las dendritas. Si el transporte de iones es más homogéneo, se puede evitar la nucleación de dendritas.

“Es por eso que aplicamos una membrana bidimensional extremadamente delgada hecha de carbono al separador, con poros que tienen un diámetro de menos de un nanómetro”, explica el profesor Andrey Turchanin de la Universidad de Jena. “Estas pequeñas aberturas son más pequeñas que el tamaño del núcleo crítico y, por lo tanto, evitan la nucleación que conduce a la formación de dendritas. En lugar de formar estructuras dendríticas, el litio se deposita en el ánodo como una película lisa”. No hay riesgo de que se dañe la membrana del separador de tal forma que la funcionalidad de la batería no se vea afectada.

“Para probar nuestro método, recargamos las baterías de prueba equipadas con nuestra Membrana Separadora Híbrida una y otra vez”, dice el Dr. Antony George de la Universidad de Jena. "Incluso después de cientos de ciclos de carga y descarga, no pudimos detectar ningún crecimiento dendrítico".

“La innovación clave aquí es estabilizar la interfaz electrodo/electrolito con una membrana ultrafina que no altera el proceso actual de fabricación de baterías”, dice la profesora asociada Leela Mohana Reddy Arava de la WSU. "La estabilidad de la interfaz es clave para mejorar el rendimiento y la seguridad de un sistema electroquímico".

Las baterías de alta densidad de energía amplían el rango de conducción de los vehículos eléctricos por el mismo peso / volumen de batería que posee un EV moderno. "El separador recibe la menor cantidad de atención en comparación con los otros componentes de la batería", dice Sathish Rajendran, estudiante de posgrado en la WSU. "La medida en que una membrana bidimensional de nanómetros de espesor en el separador podría marcar la diferencia en la vida útil de una batería es fascinante".

Como resultado, el equipo de investigación confía en que sus hallazgos tienen el potencial de generar una nueva generación de baterías de litio. Por tanto, han solicitado una patente para su método. El siguiente paso es ver cómo la aplicación de la membrana bidimensional se puede integrar en el proceso de fabricación. Los investigadores también quieren aplicar la idea a otros tipos de baterías.