PSI desvela un nuevo método para producir baterías de estado sólido
En teoría, las baterías de estado sólido ofrecen dos ventajas clave frente a las baterías de iones de litio convencionales: en primer lugar, no contienen componentes líquidos inflamables, lo que las hace mucho más seguras de utilizar. En segundo lugar, prometen mayores densidades de energía gracias a un ánodo delgado de litio y metal, que permite almacenar más energía en la batería. Esto, a su vez, puede permitir mayores autonomías o vehículos más ligeros.
Por ello, esta tecnología se considera fundamental para el futuro de los vehículos eléctricos (VE). Volkswagen, por ejemplo, invirtió en el especialista estadounidense QuantumScape ya en 2012 y planea licenciar su tecnología con el objetivo de producir pilas de estado sólido a través de su filial de baterías PowerCo. Mientras tanto, el desarrollador estadounidense de baterías Factorial ha conseguido Mercedes-Benz y Stellantis como inversores estratégicos.
Sin embargo, dos retos clave han obstaculizado hasta ahora la preparación para el mercado de las baterías de estado sólido: en primer lugar, la formación de dendritas de litio en el ánodo plantea un problema crítico. Se trata de diminutas estructuras metálicas en forma de aguja que pueden penetrar en el electrolito sólido conductor de iones de litio entre los electrodos, extenderse hacia el cátodo y provocar cortocircuitos dentro de la pila. En segundo lugar, se produce una inestabilidad electroquímica en la interfaz entre el ánodo de metal-litio y el electrolito sólido, que afecta al rendimiento y la fiabilidad a largo plazo de la pila.
Los investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI) de Suiza han abordado ahora estos dos retos y han desarrollado un nuevo proceso de fabricación. Mario El Kazzi, Jefe del Grupo de Materiales y Diagnóstico de Baterías del PSI, explica: "Hemos combinado dos enfoques que, juntos, densifican el electrolito y estabilizan la interfaz con el litio".
El núcleo del estudio del PSI es el Li₆PS₅Cl (LPSCl) de tipo argirodita, un electrolito sólido a base de sulfuro compuesto de litio, fósforo y azufre. Este mineral presenta una alta conductividad de iones de litio, lo que permite un rápido transporte de iones dentro de la batería, un requisito clave para un alto rendimiento y una carga eficiente. Estas propiedades convierten a los electrolitos basados en argirodita en candidatos prometedores para las baterías de estado sólido.
Hasta ahora, se han utilizado dos métodos para densificar el electrolito sólido, cada uno de ellos con efectos secundarios indeseables: el prensado a temperatura ambiente es insuficiente, ya que da lugar a una microestructura porosa y a un crecimiento excesivo del grano. Por otro lado, el procesamiento a temperaturas muy elevadas, superiores a 400 grados, corre el riesgo de descomponer el electrolito sólido.
Por ello, los investigadores del PSI idearon un nuevo enfoque: comprimieron el material a temperatura y presión moderadas. De este modo se obtienen menos huecos en el material, lo que dificulta el crecimiento de las dendritas a través de ellos. Además, los investigadores evaporaron al vacío una capa de fluoruro de litio (LiF) de apenas 65 nanómetros de espesor y la aplicaron uniformemente como una película ultrafina sobre la superficie del litio. Esta capa protege la interfaz y ayuda a evitar problemas químicos.
El nuevo método funciona excepcionalmente bien: en las pruebas de laboratorio, la célula de la batería conservó alrededor del 75% de su capacidad tras 1.500 ciclos de carga y descarga. Por tanto, PSI ve un gran potencial para que las baterías de estado sólido superen pronto a las baterías convencionales de iones de litio con electrolitos líquidos en términos de densidad energética y durabilidad.
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