Investigadores de Harvard diseñan una batería de litio de estado sólido con más de 10.000 ciclos y que se recarga en 10-20 minutos

Las baterías de carga rápida de larga duración son esenciales para la expansión del mercado de vehículos eléctricos, pero las baterías de iones de litio de hoy en día no alcanzan lo que se necesita: son demasiado pesadas, demasiado caras y tardan demasiado en cargarse.

Durante décadas, los investigadores han intentado aprovechar el potencial de las baterías de metal de litio de estado sólido, que retienen sustancialmente más energía en el mismo volumen y se cargan en una fracción de tiempo en comparación con las baterías de iones de litio tradicionales.

"Una batería de metal de litio se considera el santo grial de la química de la batería debido a su alta capacidad y densidad de energía", dijo Xin Li, profesor asociado de ciencia de materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). "Pero la estabilidad de estas baterías siempre ha sido pobre".

Ahora, Li y su equipo han diseñado una batería estable, de metal de litio y estado sólido que se puede cargar y descargar al menos 10.000 veces, muchos más ciclos de los que se han demostrado anteriormente, a una alta densidad de corriente. Los investigadores emparejaron el nuevo diseño con un material de cátodo comercial de alta densidad de energía.

Esta tecnología de batería podría aumentar la vida útil de los vehículos eléctricos a la de los automóviles de gasolina, de 10 a 15 años, sin la necesidad de reemplazar la batería. Con su alta densidad de corriente, la batería podría allanar el camino para los vehículos eléctricos que pueden cargarse completamente entre 10 y 20 minutos.

La investigación se publica en Nature.

“Nuestra investigación muestra que la batería de estado sólido podría ser fundamentalmente diferente de la batería comercial de iones de litio de electrolito líquido”, dijo Li. "Al estudiar su termodinámica fundamental, podemos desbloquear un rendimiento superior y aprovechar sus abundantes oportunidades".

El gran desafío con las baterías de metal de litio siempre ha sido la química. Las baterías de litio mueven los iones de litio del cátodo al ánodo durante la carga. Cuando el ánodo está hecho de metal de litio, se forman estructuras en forma de aguja llamadas dendritas en la superficie. Estas estructuras crecen como raíces en el electrolito y perforan la barrera que separa el ánodo y el cátodo, provocando que la batería se cortocircuite o incluso se incendie.

Para superar este desafío, Li y su equipo diseñaron una batería multicapa que empareja diferentes materiales de diferentes estabilidades entre el ánodo y el cátodo. Esta batería multicapa y multimaterial evita la penetración de las dendritas de litio no deteniéndolas por completo, sino controlando y conteniendo.

Piense en la batería como un sándwich BLT. Primero viene el pan, el ánodo de metal de litio, seguido de la lechuga, una capa de grafito. A continuación, una capa de tomates, el primer electrolito, y una capa de tocino, el segundo electrolito. Termine con otra capa de tomates y el último trozo de pan: el cátodo.

El primer electrolito (nombre químico Li ~5.5~ PS ~4.5~ Cl ~1.5~ o LPSCI) es más estable con litio pero propenso a la penetración de dendrita. El segundo electrolito, (Li ~10~ Ge ~1~ P ~2~ S ~12~ o LGPS) es menos estable con litio pero parece inmune a las dendritas. En este diseño, se permite que las dendritas crezcan a través del grafito y el primer electrolito, pero se detienen cuando llegan al segundo. En otras palabras, las dendritas crecen a través de la lechuga y el tomate, pero se detienen en el tocino. La barrera del tocino evita que las dendritas atraviesen y provoquen un cortocircuito en la batería.

"Nuestra estrategia de incorporar inestabilidad para estabilizar la batería se siente contraria a la intuición, pero al igual que un ancla puede guiar y controlar un tornillo que se estrella contra una pared, nuestra guía de diseño multicapa también puede controlar el crecimiento de dendritas", dijo Luhan Ye, co -autor del artículo y estudiante de posgrado en SEAS.

"La diferencia es que nuestro anclaje rápidamente se vuelve demasiado apretado para que la dendrita pueda perforar, por lo que se detiene el crecimiento de la dendrita", agregó Li.

La batería también se repara automáticamente; su química le permite rellenar los agujeros creados por las dendritas.

"Este diseño de prueba de concepto muestra que las baterías de estado sólido de metal de litio podrían ser competitivas con las baterías comerciales de iones de litio", dijo Li. "Y la flexibilidad y versatilidad de nuestro diseño multicapa lo hace potencialmente compatible con los procedimientos de producción en masa en la industria de las baterías. No será fácil escalarlo a la batería comercial y todavía existen algunos desafíos prácticos, pero creemos que se superarán".