Investigadores del Instituto Weizmann, la famosa universidad con base en Rehovot, en el centro de Israel, lograron desentrañar uno de los más complejos secretos de las baterías de litio y abrir las puertas para un futuro en el que los teléfonos celulares, por ejemplo, no exploten.
Desde la década del ’90 del siglo pasado, cuando fueron introducidas al mercado masivo, las baterías de litio están ocupando más y más espacio en nuestras vidas, haciendo funcionar una infinidad de aparatos electrónicos.
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De hecho, sin las baterías de litio hubiera sido imposible desarrollar los teléfonos inteligentes o los automóviles eléctricos.
Sin embargo, el diseño de estas baterías todavía tiene muchos costados por mejorar, comenzando por la característica que resulta en los fuegos y explosiones que periódicamente son reportados por los medios de comunicación.
Durante cada carga, recordaron los expertos del Instituto Weizmann, se forman en su interior unos diminutos filamentos llamados dendritas.
Y cuando las dendritas se acumulan, pueden crear puentes metálicos en su interior, lo que permite una transferencia descontrolada de electrones que puede estropear la batería y, lo que es más preocupante, crear el riesgo de incendio.
Una innovadora idea desde Rehovot
Hasta ahora, los investigadores contaban con limitadas técnicas para entender la formación de dendritas.
Pero el estudio realizado en el laboratorio de la profesora Michal Leskes y dirigido por el doctor Ayan Maity desarrolló una técnica que permite no solo identificar qué elementos afectan la acumulación de dendritas sino también inspeccionar rápidamente la eficacia y seguridad de los componentes de la batería.
Las baterías recargables funcionan permitiendo que los iones con carga positiva pasen del electrodo negativo (el ánodo) al positivo (el cátodo) a través de una sustancia conductora de electricidad llamada electrolito.
Cuando la batería se está cargando, los iones regresan al ánodo (al contrario de lo que ocurre naturalmente en una reacción química) y esto prepara la batería para un uso repetido.
Las baterías de metal de litio son innovadoras porque sus ánodos están hechos de metal de litio puro, lo que les permite almacenar grandes cantidades de energía. El problema es que el metal de litio es muy activo químicamente e interactúa con cualquier material que encuentra.
Por lo tanto, cuando interactúa con el electrolito, se crean rápidamente dendritas en cantidades que ponen en peligro al usuario y la salud de la batería.
El riesgo de incendio se puede evitar sustituyendo el electrolito líquido e inflamable de la batería por un material sólido no inflamable, como un compuesto de polímeros y partículas cerámicas.
Si bien el equilibrio entre esos dos componentes afecta significativamente a la formación de dendritas, el principal reto sigue siendo encontrar la composición ideal para prolongar la vida útil de las baterías.
Aplicando la resonancia magnética
Los investigadores abordaron esta cuestión mediante la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), que revela la estructura química de los materiales y les permitió seguir el desarrollo de las dendritas e identificar las interacciones químicas dentro del electrolito.
«Cuando examinamos las dendritas en baterías con diferentes proporciones de polímero y cerámica, encontramos una especie de ‘proporción áurea’: los electrolitos compuestos por un 40 por ciento de cerámica tenían las vidas más largas», explicó Leskes.
Y «cuando superamos el 40 por ciento de cerámica, encontramos problemas estructurales y funcionales que impidieron el rendimiento de la batería, mientras que menos del 40 por ciento condujo a una reducción de la vida útil de la batería», añadió la investigadora.
Sorprendentemente, en las baterías que obtuvieron un mejor rendimiento, el número de dendritas aumentó, pero su crecimiento se bloqueó y formaron menos de esos «puentes» peligrosos.
Una pregunta «millonaria»
Estos hallazgos llevaron a los investigadores a la pregunta del millón, (que podría tener mucho más valor en términos de aplicaciones comerciales): ¿qué está bloqueando el crecimiento de las dendritas?
Los académicos plantearon la hipótesis de que la respuesta se encontraba en una fina capa sobre la superficie de las dendritas conocida como interfase electrolítica sólida o SEI.
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La capa SEI, que se forma cuando las dendritas reaccionan con el electrolito, puede estar compuesta de varias sustancias que tienen un efecto positivo o negativo en la batería.
Por ejemplo, su composición química puede obstaculizar o mejorar el movimiento de iones de litio a lo largo de la batería y bloquear o facilitar el movimiento de materiales dañinos desde el ánodo al cátodo, lo que a su vez puede impedir o acelerar el desarrollo de las dendritas.
Como esas capas están compuestas por unas pocas decenas de nanómetros de átomos, las señales que capta el RMN son bastante débiles. Para reforzarlas, los investigadores recurrieron a una técnica que rara vez se utiliza en el estudio de las baterías: mejorar el RMN mediante la polarización nuclear dinámica.
Esa técnica aprovecha el fuerte giro de los electrones de litio polarizados, que emiten potentes señales que intensifican las señales emitidas por los núcleos atómicos en la capa SEI.
Hacia baterías más resistentes y seguras
Gracias a esta técnica, los investigadores pudieron revelar la composición química precisa de la capa SEI, lo que les ayudó a descubrir las interacciones que se producen entre el litio y las distintas estructuras del electrolito.
Por ejemplo, pudieron determinar si se había formado una dendrita durante la interacción del litio con el polímero o con la cerámica.
Esto también condujo al sorprendente descubrimiento de que las capas SEI creadas sobre las dendritas a veces hacen que la transferencia de iones dentro del electrolito sea más eficiente y, al mismo tiempo, bloquean las sustancias peligrosas.
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Los resultados del estudio, que fueron publicados en Nature, aportan nuevos conocimientos que podrían utilizarse para desarrollar baterías más resistentes, más potentes y más seguras capaces de suministrar más energía a un menor coste medioambiental y económico.
Esas futuras baterías podrán alimentar dispositivos más grandes e inteligentes sin tener que aumentar el tamaño de la batería, al tiempo que se alarga su vida útil, destacaron desde la universidad israelí.
