Nuevo método para baterías de estado sólido estables y duraderas

Con un proceso de fabricación innovador para la batería del futuro: Los investigadores del PSI muestran en un estudio reciente cómo producir baterías de estado sólido de manera económica, eficiente y duradera. La imagen muestra una célula de prueba, en la que se fabrica y prueba la batería de estado sólido desarrollada en el PSI. © Instituto Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic / Un proceso de fabricación innovador allana el camino para la batería del futuro: en su último estudio, los investigadores del PSI demuestran una forma rentable y eficiente de producir baterías de estado sólido con una larga vida útil. La imagen muestra una célula de prueba utilizada para fabricar y probar la batería de estado sólido desarrollada en el PSI. © Instituto Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic

Enlaces: Electrolito sólido poroso, a través del cual los dendritas de litio (gris) pueden penetrar hasta la superficie de litio (plateado); la interfaz está protegida únicamente por una capa límite natural (rosa). A la derecha: Electrolito sólido densamente sinterizado producido en el Instituto Paul Scherrer PSI con un recubrimiento estabilizador de fluoruro de litio (azul) que previene la penetración de dendritas y protege la superficie de litio. © Instituto Paul Scherrer PSI/Jinsong Zhang / Izquierda: Electrolito sólido poroso a través del cual los dendritas de litio (gris) pueden penetrar hasta la superficie de litio (plateado); la interfaz está protegida solo por una capa límite natural (rosa). A la derecha: Electrolito sólido densamente sinterizado producido en el Instituto Paul Scherrer PSI con un recubrimiento estabilizador de fluoruro de litio (azul) que previene la penetración de dendritas y protege la superficie de litio. © Instituto Paul Scherrer PSI/Jinsong Zhang

Jinsong Zhang y Mario El Kazzi (de izquierda a derecha) con una celda de prueba de la batería de estado sólido desarrollada en el Instituto Paul Scherrer PSI. Los dos investigadores han desarrollado un proceso que combina un sinterizado suave con un recubrimiento ultrafino de fluoruro de litio, permitiendo así la producción de electrolitos sólidos especialmente estables. © Instituto Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic / Jinsong Zhang (izquierda) y Mario El Kazzi con una celda de prueba de la batería de estado sólido desarrollada en el Instituto Paul Scherrer PSI. Los dos investigadores desarrollaron un proceso que combina un sinterizado suave con un recubrimiento ultrafino de fluoruro de litio, permitiendo así la producción de electrolitos sólidos especialmente estables. © Instituto Paul Scherrer PSI/Mahir Dzambegovic

Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI logran un avance en el camino hacia la aplicación práctica de baterías sólidas de metal de litio, la próxima generación de baterías que almacenan más energía, son más seguras y se cargan más rápido que las baterías de iones de litio convencionales.

Las baterías sólidas se consideran una solución prometedora para la movilidad eléctrica, la electrónica móvil y el almacenamiento de energía estacionario, entre otras cosas, porque no requieren electrolitos líquidos inflamables y, por lo tanto, son en principio más seguras que las baterías de iones de litio tradicionales.

Sin embargo, hay dos problemas centrales que impiden su comercialización: por un lado, la formación de dendritas de litio en el ánodo sigue siendo un punto crítico, ya que pequeñas estructuras metálicas en forma de aguja que atraviesan el electrolito sólido conductor de iones de litio entre los electrodos, se expanden hacia el cátodo y finalmente causan cortocircuitos internos. Por otro lado, existe una inestabilidad electroquímica en la interfaz entre el ánodo de metal de litio y el electrolito sólido, lo que afecta el rendimiento y la fiabilidad a largo plazo de la batería.

Para superar estos dos obstáculos, el equipo dirigido por Mario El Kazzi, jefe del grupo de Materiales y Diagnóstico de Baterías en el Instituto Paul Scherrer PSI, desarrolló un nuevo proceso de fabricación: «Hemos combinado dos enfoques que, en conjunto, compactan el electrolito y estabilizan la interfaz con el litio», explica el científico. El equipo informa sobre sus resultados en la revista científica Advanced Science.

¿Qué son las baterías sólidas?

Los electrolitos son componentes centrales en las baterías recargables, ya que permiten el flujo de iones entre el ánodo y el cátodo. Las baterías sólidas tienen, en contraste con las baterías de iones de litio clásicas, un electrolito sólido. Esto las hace doblemente superiores: por un lado, no contienen componentes líquidos inflamables, por lo que su funcionamiento es mucho más seguro. Por otro lado, las baterías sólidas con un metal de litio delgado como ánodo prometen mayores densidades de energía. De esta manera, en el futuro, los autos eléctricos podrían lograr autonomías notablemente mayores.

El problema con la compactación

El centro de atención del estudio en PSI es el tipo de argirodita Li₆PS₅Cl (LPSCl), un electrolito sólido basado en sulfuros compuesto por litio, fósforo y azufre. El mineral presenta una alta conductividad de iones de litio, lo que permite un transporte rápido de iones dentro de la batería, una condición esencial para un alto rendimiento y procesos de carga eficientes. Esto hace que los electrolitos basados en argirodita sean candidatos prometedores para baterías sólidas. Sin embargo, hasta ahora, la implementación fracasó debido a que el material no se compactaba lo suficiente, lo que permitía la formación de espacios vacíos en los que podrían penetrar las dendritas de litio.

Para compactar el electrolito sólido, los grupos de investigación han utilizado hasta ahora dos enfoques: ya sea prensando el material a temperatura ambiente bajo una presión muy alta, o aplicando procesos de sinterización en caliente, que combinan presión y temperaturas superiores a 400 grados Celsius. En este último proceso, llamado sinterización clásica, las partículas se fusionan en una estructura más densa mediante la aplicación de calor y presión.

Ambos métodos, sin embargo, conducen a efectos secundarios no deseados: el prensado a temperatura ambiente es insuficiente porque genera una microestructura porosa y un crecimiento excesivo de granos. La processed a temperaturas muy altas, por otro lado, conlleva el riesgo de descomposición del electrolito sólido. Para obtener un electrolito robusto y una interfaz estable, los investigadores del PSI tuvieron que buscar un nuevo enfoque.

El truco de la temperatura

Para compactar el argirodita en un electrolito homogéneo, El Kazzi y su equipo consideraron el factor temperatura, pero de manera más cuidadosa: en lugar del proceso de sinterización clásico, optaron por un método más suave, en el que el mineral se prensó con presión moderada a una temperatura de aproximadamente 80 grados Celsius. Esta sinterización suave tuvo éxito: el calor moderado y la presión aplicada permitieron que las partículas se organizaran como se deseaba, sin alterar la estabilidad química del material. Las partículas del mineral formaron enlaces estrechos, las áreas porosas se compactaron y se cerraron pequeños vacíos. El resultado fue una microestructura compacta y densa, resistente a la penetración de dendritas de litio. En esta forma, el electrolito sólido ya está preparado para un transporte rápido de iones de litio.

Sin embargo, la sinterización suave por sí sola no fue suficiente. Para funcionar de manera confiable incluso a altas densidades de corriente, como las que ocurren durante cargas y descargas rápidas, la celda de la batería de estado sólido requirió otra modificación. Para ello, se vaporizó en vacío una capa delgada de 65 nanómetros de fluoruro de litio (LiF) y se aplicó uniformemente como una película ultrafina sobre la superficie de litio, sirviendo como una capa de pasivación en la interfaz entre el ánodo y el electrolito sólido.

Esta capa intermedia cumple una doble función: por un lado, evita la descomposición electroquímica del electrolito sólido en contacto con el litio, suprimiendo así la formación de «litio muerto» e inactivo. Por otro lado, actúa como una barrera física que impide la penetración de dendritas de litio en el electrolito sólido.

Valores récord tras 1500 ciclos

En experimentos de laboratorio con celdas de botón, la batería mostró un rendimiento excepcional en condiciones exigentes. «Su estabilidad de ciclo a alta tensión fue notable», dice Jinsong Zhang, estudiante de doctorado y autor principal del estudio. Después de 1500 ciclos de carga y descarga, la celda aún conservaba aproximadamente el 75 por ciento de su capacidad original. Es decir, todavía migraban tres cuartas partes de los iones de litio desde el cátodo hacia el ánodo. «Un resultado sobresaliente. Estos valores están entre los mejores reportados hasta ahora», afirma Zhang. Por ello, ve buenas posibilidades de que las baterías sólidas puedan superar en rendimiento y durabilidad a las baterías de iones de litio con electrolito líquido en un futuro cercano.

El Kazzi y su equipo demuestran por primera vez que la combinación de una sinterización suave del electrolito sólido y una capa de pasivación delgada en el ánodo de litio puede suprimir eficazmente tanto la formación de dendritas como la inestabilidad de la interfaz, dos de los desafíos más persistentes en las baterías sólidas. Esta solución combinada representa un avance importante en la investigación de baterías sólidas, además de ofrecer ventajas ecológicas y económicas: debido a las bajas temperaturas, el proceso ahorra energía y reduce costos. «Nuestro enfoque es una solución práctica para la fabricación industrial de baterías sólidas basadas en argirodita», dice El Kazzi. «Solo faltan algunos ajustes adicionales y podremos comenzar.»