Investigadores del California NanoSystems Institute han hecho un descubrimiento que podría conducir a baterías de litio-metal mejores y más seguras que las actuales de iones de litio.
Las baterías de iones de litio son las más utilizadas en las tecnologías modernas; sin embargo, descienden de las baterías de litio-metal, que tienen el potencial de albergar el doble de energía.
A pesar de su gran potencial, estas baterías no se han desarrollado tan ampliamente debido al riesgo de que se incendien o exploten.
La nueva investigación, detallada en un artículo publicado en Nature, tiene el potencial de comercializar estas baterías y hacer más seguro su uso.
Descubriendo la verdadera forma del litio metálico
El litio metálico reacciona tan rápidamente con las sustancias químicas que, en condiciones normales, se forma corrosión casi de inmediato cuando el metal se deposita sobre una superficie como un electrodo.
Esto impide el uso habitual de baterías de litio metálico en tecnologías cotidianas como teléfonos y relojes.
Pero los investigadores desarrollaron una técnica que impedía la corrosión y demostraron que, en su ausencia, los átomos de litio se ensamblan en una forma sorprendente: el dodecaedro rómbico, una figura de 12 lados.
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Yuzhang Li, profesor adjunto de ingeniería química y biomolecular en la UCLA y autor correspondiente del estudio, explicó: «Hay miles de artículos sobre el litio metálico, y la mayoría de las descripciones de estructura son cualitativas, como ‘grueso’ o ‘en forma de columna'».
«Fue sorprendente descubrir que, cuando evitamos la corrosión superficial, en lugar de estas formas mal definidas, observamos un poliedro singular que coincide con las predicciones teóricas basadas en la estructura cristalina del metal«.
«En última instancia, este estudio nos permite revisar cómo entendemos las baterías de litio-metal».
Figura 1. Representación de las distintas estructuras que pueden formar los átomos de litio, incluido el dodecaedro rómbico.
¿Puede moldearse el metal para producir baterías de litio-metal seguras?
A escala diminuta, las baterías de iones de litio almacenan átomos de litio cargados positivamente en una estructura de carbono en forma de jaula que recubre un electrodo.
En cambio, las baterías de litio-metal recubren el electrodo con litio metálico. De este modo, en el mismo espacio caben diez veces más átomos de litio que en las baterías de iones de litio, lo que aumenta su rendimiento, pero también su peligrosidad.
El proceso de recubrimiento de litio se basa en una técnica de más de 200 años de antigüedad que emplea electricidad y soluciones de sales llamadas electrolitos. A menudo, el litio forma filamentos microscópicos ramificados con puntas salientes.
Si dos de esas puntas se entrecruzan en la batería, puede producirse un cortocircuito que podría provocar una explosión.
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Pero la revelación de la verdadera forma del litio sugiere que el riesgo de explosión de las baterías de litio-metal puede reducirse porque los átomos se acumulan de forma ordenada en lugar de entrecruzarse.
«Científicos e ingenieros llevan más de dos décadas investigando la síntesis de metales como el oro, el platino y la plata en formas como nanocubos, nanoesferas y nanorods», explica Li.
«Ahora que conocemos la forma del litio, necesitamos saber si podemos afinarlo para que forme cubos».
Una nueva técnica para depositar litio
Hasta ahora, la opinión predominante había sido que la elección de los electrolitos en solución determina la forma que el litio forma en una superficie: si la estructura se asemeja a trozos o a columnas. Los investigadores de la UCLA tenían una idea diferente.
«Queríamos ver si podíamos depositar litio metálico tan rápidamente que superáramos la reacción que causa la película de corrosión», explica Xintong Yuan, estudiante de doctorado de la UCLA y primer autor del estudio.
Los investigadores desarrollaron una nueva técnica para depositar el litio más rápido de lo que se forma la corrosión. Hicieron pasar corriente por un electrodo mucho más pequeño para expulsar la electricidad con mayor rapidez.
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Pero había que encontrar un equilibrio, porque acelerar demasiado el proceso provocaría las mismas estructuras puntiagudas que causan los cortocircuitos.
El equipo abordó este problema ajustando la forma de su diminuto electrodo.
Colocaron litio sobre superficies utilizando cuatro electrolitos, comparando los resultados entre una técnica estándar y su nuevo método.
Con la corrosión, el litio formaba cuatro formas microscópicas distintas consideradas seguras para el uso comercial de baterías de litio-metal.
Sin embargo, su proceso sin corrosión descubrió que el litio formaba minúsculos dodecaedros no mayores de dos millonésimas de metro en los cuatro casos.
Noticia tomada de: Innovation News Network / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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