La revolución de las baterías: el avance científico que promete hacerlas más duraderas y seguras

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Cuando enchufamos nuestros teléfonos móviles para cargarlos, damos por sentado que pronto estarán repletos de energía para navegar, enviar mensajes de texto y recibir alertas de noticias.

Pero la tecnología que los alimenta (las baterías recargables de iones de litio) anunció una auténtica revolución tecnológica cuando aparecieron por primera vez en la escena comercial en la década de 1990, y sus desarrolladores ganaron el Premio Nobel de Química en 2019.

Sin esta innovación, nuestros teléfonos inteligentes, auriculares inalámbricos y vehículos eléctricos serían inviables tanto desde el punto de vista ambiental como económico.

El ritmo al que avanza la tecnología exige baterías más resistentes y seguras, pero desarrollarlas no es una tarea fácil.

Las baterías de metal de litio, por ejemplo, podrían proporcionar en el futuro mucha más energía que las que se usan comúnmente hoy en día, pero también plantean un desafío importante: durante cada carga, se forman en su interior diminutos filamentos llamados dendritas.

Cuando las dendritas se acumulan, pueden crear puentes metálicos dentro de la batería, lo que permite una transferencia incontrolada de electrones que puede arruinar la batería y, lo que es más preocupante, crear un peligro de incendio. Hasta ahora, los investigadores tenían disponibles técnicas limitadas para caracterizar la formación de dendritas.

En un nuevo estudio realizado en el laboratorio del Prof. Michal Leskes, del Departamento de Química Molecular y Ciencia de los Materiales del Instituto de Ciencias Weizmann, los investigadores dirigidos por el Dr. Ayan Maity desarrollaron una técnica innovadora que les permite no solo identificar qué dentro de la batería afecta a la acumulación de dendritas, sino también inspeccionar rápidamente la eficacia y seguridad de los componentes de batería alternativos.

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. El equilibrio entre estos dos componentes afecta significativamente a la formación de dendritas, pero el principal reto sigue siendo encontrar la composición ideal para prolongar la vida útil de las baterías.

El equipo de investigación decidió abordar esta cuestión mediante la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), una técnica aceptada para revelar la estructura química de los materiales, que 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 -explica Leskes-. 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”.

Sin embargo, sorprendentemente, en las baterías que obtuvieron un mejor rendimiento, el número de dendritas aumentó, pero su crecimiento se bloqueó y formaron menos de estos puentes peligrosos.

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 investigadores 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.

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, la composición química de la capa SEI 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.

Para caracterizar las capas de SEI, los investigadores tuvieron que pensar “fuera de la batería”. Como estas capas están compuestas por apenas unas pocas docenas de nanómetros de átomos, las señales que capta el RMN son bastante débiles.

En un esfuerzo por reforzar las señales, 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.

Esta 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. 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.

Los resultados del estudio aportan nuevos conocimientos que podrían utilizarse para desarrollar baterías más resistentes, más fuertes y más seguras capaces de suministrar más energía a un menor coste medioambiental y económico. Estas 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.

“Una de las cosas que más me gusta de este estudio es que, sin un profundo conocimiento científico de la física fundamental, no habríamos podido entender lo que ocurre dentro de una batería. Nuestro proceso fue muy típico del trabajo que se realiza aquí en el Instituto Weizmann. Empezamos con una cuestión puramente científica que no tenía nada que ver con las dendritas, y esto nos llevó a un estudio con aplicaciones prácticas que podrían mejorar la vida de todos”, afirma Leskes.

También participaron en el estudio la Dra. Asya Svirinovsky-Arbeli, Yehuda Buganim y Chen Oppenheim del Departamento de Química Molecular y Ciencia de los Materiales de Weizmann.