Investigadores de Carnegie Mellon University consiguieron suprimir la formación de dendritas en las baterías de metal litio a partir del diseño de un conductor de iones sólidos. El estudio de esta manera, ofrece un camino seguro para las baterías al evitar que se genere un cortocircuito que en última instancia puede dar lugar a un incendio o que explote el dispositivo
El metal de litio es uno de los candidatos más prometedores para los ánodos de batería de próxima generación debido a su capacidad específica excepcionalmente alta. Sin embargo, su uso generalizado se ve obstaculizado por un problema: en los múltiples ciclos de carga y descarga, los filamentos fractales llamados dendritas pueden crecer a través del electrolito desde el electrodo negativo al positivo y cortocircuitar la batería desde el interior, lo que representa una gran preocupación para la seguridad.
En un artículo publicado en Nature Materials, Venkat Viswanathan, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica de la universidad Carnegie Mellon, y sus coautores abordaron este problema al investigar cómo un conductor de iones sólidos (solid-ion conductor, SIC, por sus siglas en inglés), un componente que se puede utilizar como un separador entre el ánodo y el electrolito: puede evitar las dendritas.
Primero idearon un modelo teórico para establecer las reglas de diseño que los SIC deben obedecer para lograr la estabilidad del ciclo de electrodeposición. De este modelo, aprendieron que esta estabilidad depende principalmente de dos propiedades del SIC: su módulo de corte, una medida de rigidez y el volumen ocupado por un ion de litio a medida que se mueve a través del SIC.
Los materiales con bajo módulo de corte y pequeño volumen de litio suprimen las dendritas, mientras que los materiales con alto módulo y gran volumen de litio los bloquean. Esto da lugar a dos regiones de estabilidad: una supresora de dendrita y otra bloqueadora de dendrita. Si bien el régimen de bloqueo de dendritas ya era bien conocido y estudiado en el campo de la electroquímica, el dominio de supresión de dendritas aún no se había explorado.
Figura 1. En el campo de la electroquímica, el dominio supresor de dendritas aún no se había explorado, aunque el régimen de bloqueo de dendritas ya era conocido y estudiado
Al ver el vasto océano de oportunidades para avances científicos dentro de esta región de estabilidad previamente no reconocida, a través de la colaboración con el grupo de Brett Helms en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), el equipo diseñó un SIC compuesto a base de polímero diseñado específicamente para probar este régimen de supresión de dendrita y validar su hipótesis.
Utilizando una serie de técnicas computacionales y experimentales, demostraron que este nuevo material, al acceder a un dominio de estabilidad previamente desconocido, puede de hecho sortear el obstáculo de la dendrita que persigue el uso de litio metálico como un ánodo de alta capacidad.
El trabajo puede servir como un trampolín para un mayor progreso hacia las baterías de próxima generación, necesarias para impulsar nuevas y emocionantes tecnologías como los autos voladores..
El artículo, titulado “Reglas de diseño quimiomecánico universal para conductores de iones sólidos para prevenir la formación de dendrita en las baterías de metal de litio”, se publicó en Nature Materials en abril de 2020. Carnegie Mellon Mechanical Engineering Ph.D. Los candidatos Victor Venturi y Zeeshan Ahmad también figuraban como autores.
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