Investigadores del Max Planck explican la formación de dendritas en las pilas de estado sólido
Las dendritas son un problema bien conocido en las baterías actuales de iones de litio que utilizan electrolitos líquidos. En estas pilas, los depósitos de litio pueden crecer tanto que dañan la película separadora crítica, provocando un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo. Sin embargo, las dendritas también plantean un reto importante en las pilas de estado sólido. El Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles explica que estas diminutas estructuras en forma de árbol crecen desde el terminal negativo (ánodo), penetran en el electrolito sólido y se extienden hasta el terminal positivo (cátodo), provocando un cortocircuito interno en la pila. Hasta ahora, el mecanismo exacto de este proceso no estaba claro.
Un equipo interdisciplinar del instituto ha publicado sus hallazgos en la revista científica Naturaleza. Los investigadores estudiaron cómo el metal de litio inherentemente blando de los electrodos puede dañar el duro electrolito cerámico.
“Aunque los electrodos y las dendritas que los forman están compuestos de metal de litio, que es blando como un osito de goma, las dendritas son capaces de penetrar en el electrolito cerámico y provocar un cortocircuito”, explica Yuwei Zhang, autor principal del estudio y jefe del grupo de investigación del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles. “¿Cómo pueden las dendritas blandas fracturar la rígida cerámica sólida? Hay dos hipótesis: o bien se acumula tensión interna dentro de las dendritas e induce la fractura mecánica del electrolito sólido. O bien, los electrones se filtran a lo largo de los límites de grano del electrolito sólido, promoviendo la formación de núcleos de litio que se interconectan posteriormente.”
El montaje experimental fue complejo: las muestras se prepararon y examinaron al vacío y a temperaturas criogénicas para excluir los efectos del oxígeno, el agua o el haz de electrones de los microscopios. El esfuerzo mereció la pena, ya que los resultados fueron tan claros como se esperaba. El equipo de investigación descubrió que no se acumula litio adicional en la punta de las dendritas.
“El metal de litio blando es capaz de penetrar en el electrolito cerámico rígido, como un chorro de agua continuo que penetra en una roca. Calculamos que la tensión hidrostática en la dendrita conduce al final a la fractura frágil del electrolito sólido”, explica Zhang. Las simulaciones y las mediciones mediante difracción de retrodispersión de electrones confirmaron este resultado.
Este conocimiento es crucial para prevenir o al menos ralentizar el crecimiento de dendritas y garantizar que no se produzcan cortocircuitos durante la vida útil típica de una batería. “Los posibles enfoques incluyen aumentar la resistencia del electrolito para detener o ralentizar la formación de grietas, introducir cavidades microscópicas para redirigir el crecimiento de dendritas o aplicar revestimientos protectores a los electrodos de litio para suprimir la formación de dendritas”, afirma el instituto.
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