Las dendritas, el verdadero enemigo de las baterías de ion litio

Por primera vez, los científicos han observado cómo unas diminutas "espinas" metálicas llamadas dendritas brotan dentro de las baterías de iones de litio, lo que puede provocar cortocircuitos. Sus hallazgos, publicados el 12 de marzo en la revista Science , revelan propiedades mecánicas hasta ahora desconocidas de las dendritas de litio durante su crecimiento.

Los científicos llevan mucho tiempo estudiando las dendritas de litio, pero no comprendían del todo cómo se comportan estas estructuras dentro de las baterías. Las dendritas se forman a nanoescala; su crecimiento es difícil de observar en el sistema cerrado de una batería en funcionamiento, pero se ha relacionado con el deterioro y el fallo de la batería.

El nuevo estudio, una colaboración internacional entre investigadores de universidades de Estados Unidos y Singapur, combinó experimentos y simulaciones para ofrecer una primera visión de cómo cristalizan las dendritas, afirma el coautor principal Xing Liu, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial en el Instituto Tecnológico de Nueva Jersey y director del Laboratorio de Mecánica Computacional y Física de NJIT.

"Este trabajo refleja una estrecha colaboración entre la mecánica experimental y la computacional", y podría ayudar a mejorar la seguridad de las baterías, afirma.

Qing Ai, coautora principal y antigua investigadora científica de la Universidad Rice, añade: "A pesar de décadas de estudio, las propiedades nanomecánicas fundamentales de las dendritas de litio seguían siendo un misterio, hasta ahora".

Plataformas personalizadas

Las dendritas de litio (del latín "ramificación"), que miden aproximadamente 100 veces menos que el grosor de un cabello humano, crecen desde los ánodos, los terminales negativos de las baterías de iones de litio. Las ramificaciones de las dendritas pueden penetrar en el electrolito de la celda de litio; si se extienden desde el ánodo, cargado negativamente, hasta el cátodo, cargado positivamente, pueden provocar un cortocircuito en la batería.

«Las dendritas de litio son ampliamente reconocidas como uno de los mayores obstáculos para la comercialización de las baterías de litio metálico», afirma Liu. «Durante el funcionamiento de la batería, las dendritas de litio pueden formarse, romperse y aislarse eléctricamente del ánodo de litio metálico, creando lo que se conoce como "litio muerto". Este proceso conlleva una pérdida gradual de la capacidad de la batería con el tiempo. Además, las dendritas pueden penetrar el separador y crear un cortocircuito interno entre el ánodo y el cátodo. Tanto la pérdida de capacidad como los riesgos de cortocircuito asociados a las dendritas se observan con frecuencia en estudios de laboratorio».

Además, una vez que se forman las dendritas de litio, es prácticamente imposible eliminarlas de una batería.

"Actualmente, no existe ningún método práctico para 'eliminar' las dendritas de una celda de batería en funcionamiento", añade Liu.

Para este nuevo estudio, investigadores de la Universidad Rice y colaboradores del Instituto Tecnológico de Georgia, la Universidad de Houston y la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur recolectaron dendritas de baterías en funcionamiento para probar su resistencia mecánica.

"Para posibilitar el estudio cuantitativo de las dendritas de litio, desarrollamos plataformas personalizadas de preparación de muestras y caracterización mecánica para este tipo de trabajo tan delicado", afirma Boyu Zhang, exalumno de doctorado de Rice y coautor principal del estudio.

Jun Lou, profesor Karl F. Hasselmann de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de la Universidad Rice y coautor correspondiente, dirigió un equipo en el laboratorio de Nanomateriales, Nanomecánica y Nanodispositivos para investigar directamente el comportamiento mecánico de las dendritas durante su formación en baterías reales. Ai y Zhang, ambos exmiembros del laboratorio de Lou, realizaron los experimentos, sumamente delicados, con el apoyo de Hua Guo y Wenhua Guo, coautores correspondientes del estudio y pertenecientes a la Autoridad de Equipos Compartidos de la Universidad Rice.

Para realizar los experimentos, construyeron plataformas herméticas para preparar y estudiar las muestras, ya que el litio es altamente reactivo y sufre cambios químicos y estructurales incluso al exponerse a pequeñas cantidades de aire. Posteriormente, la microscopía electrónica de alta resolución reveló cómo se deforman las dendritas individuales en respuesta a tensiones controladas.

Como espaguetis secos

El litio en estado sólido es flexible y maleable; por lo tanto, se esperaba que las dendritas de litio fueran igualmente flexibles. Sin embargo, los experimentos demostraron lo contrario. El equipo de la Universidad de Houston, liderado por el coautor Yan Yao, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, observó la rotura de dendritas en tiempo real durante el funcionamiento de la batería, lo que aporta evidencia de la fragilidad de las dendritas tanto en sistemas de electrolitos líquidos como sólidos.

"Durante mucho tiempo se ha supuesto que las dendritas de litio son blandas y dúctiles, como la plastilina", dice Liu. "Pero nuestras observaciones sugieren que, en realidad, pueden ser fuertes y quebradizas, rompiéndose más bien como espaguetis secos".

Posteriormente, equipos del NJIT y del Georgia Tech aportaron modelos y análisis teóricos de los datos obtenidos a partir de las observaciones.

"Realizamos simulaciones de escala variable para explicar por qué las dendritas de litio se comportan de manera diferente a como se pensaba anteriormente", explica Liu.

Descubrieron que, a medida que se forman dendritas en una celda de batería, una fina capa de interfase de electrolito sólido (SEI) las recubre. Este recubrimiento de SEI hace que las dendritas sean rígidas y con forma de aguja, capaces de perforar los separadores y electrolitos de las celdas de batería y propensas a romperse bajo tensión, acumulándose en la celda como fragmentos de litio inactivo y contribuyendo a la falla de la batería.

«Comprender la física subyacente proporciona nuevas perspectivas sobre cómo reducir la propensión de las dendritas a la fractura frágil, por ejemplo, mediante el uso de ánodos de aleación de litio», explica Liu. Para los investigadores que estudian la mecánica computacional, mecanismos como los observados en el estudio —cómo se deforman las estructuras y qué provoca su rotura y fallo— son como notas musicales que pueden incorporarse a una «sinfonía» de materiales de alto rendimiento y sistemas de almacenamiento de energía de alta capacidad.

"El mecanismo de fortalecimiento que hemos identificado en las dendritas de litio añade una nueva dimensión a esta composición", afirma Liu.