En la búsqueda interminable de acumular más energía en las baterías sin aumentar su peso o volumen, una tecnología especialmente prometedora es la batería de estado sólido. En estas baterías, el electrolito líquido habitual que transporta las cargas entre los electrodos se reemplaza por una capa de electrolito sólido. Potencialmente, tales baterías podrían no solo entregar el doble de energía para su tamaño, sino que también podrían eliminar virtualmente el riesgo de incendio asociado con las baterías de iones de litio actuales.

Pero una cosa ha frenado las baterías de estado sólido: las inestabilidades en el límite entre la capa de electrolito sólido y los dos electrodos a cada lado pueden acortar drásticamente la vida útil de dichas baterías. Algunos estudios han utilizado recubrimientos especiales para mejorar la unión entre las capas, pero esto agrega el costo de los pasos de recubrimiento adicionales en el proceso de fabricación. Ahora, un equipo de investigadores del MIT y el Laboratorio Nacional de Brookhaven han ideado una forma de lograr resultados que igualan o superan la durabilidad de las superficies recubiertas, pero sin necesidad de ningún recubrimiento.

El nuevo método simplemente requiere eliminar cualquier dióxido de carbono presente durante un paso crítico de fabricación, llamado sinterización, donde los materiales de la batería se calientan para crear una unión entre el cátodo y las capas de electrolito, que están hechas de compuestos cerámicos. Aunque la cantidad de dióxido de carbono presente en el aire es muy pequeña, medida en partes por millón, sus efectos resultan ser dramáticos y perjudiciales. Llevar a cabo el paso de sinterización en oxígeno puro crea enlaces que igualan el rendimiento de las mejores superficies recubiertas, sin el costo adicional del recubrimiento, dicen los investigadores.

Los hallazgos se informan en la revista Advanced Energy Materials , en un artículo del estudiante de doctorado del MIT Younggyu Kim, profesor de ciencia e ingeniería nuclear y de ciencia e ingeniería de materiales Bilge Yildiz, e Iradikanari Waluyo y Adrian Hunt en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

“Las baterías de estado sólido han sido deseables por diferentes razones durante mucho tiempo”, dice Yildiz. “Los puntos clave de motivación para las baterías sólidas son que son más seguras y tienen una mayor densidad de energía”, pero dos factores han impedido su comercialización a gran escala, dice: la menor conductividad del electrolito sólido y los problemas de inestabilidad de la interfaz.

El problema de la conductividad se ha abordado de manera efectiva y ya se han demostrado materiales de conductividad razonablemente alta, según Yildiz. Pero superar las inestabilidades que surgen en la interfaz ha sido mucho más desafiante. Estas inestabilidades pueden ocurrir tanto durante la fabricación como durante la operación electroquímica de dichas baterías, pero por ahora los investigadores se han centrado en la fabricación y, específicamente, en el proceso de sinterización.

La sinterización es necesaria porque si las capas de cerámica simplemente se presionan entre sí, el contacto entre ellas está lejos de ser ideal, hay demasiados espacios y la resistencia eléctrica a través de la interfaz es alta. La sinterización, que generalmente se realiza a temperaturas de 1000 grados centígrados o más para los materiales cerámicos, hace que los átomos de cada material migren al otro para formar enlaces. Los experimentos del equipo mostraron que a temperaturas superiores a unos pocos cientos de grados, se producen reacciones perjudiciales que aumentan la resistencia en la interfaz, pero solo si hay dióxido de carbono presente, incluso en pequeñas cantidades. Demostraron que evitar el dióxido de carbono y, en particular, mantener una atmósfera de oxígeno puro durante la sinterización podría crear una unión muy buena a temperaturas de hasta 700 grados.

El rendimiento de la interfaz cátodo-electrolito realizada con este método, dice Yildiz, fue "comparable a las mejores resistencias de interfaz que hemos visto en la literatura", pero todas se lograron utilizando el paso adicional de aplicar recubrimientos. “Estamos descubriendo que puede evitar ese paso de fabricación adicional, que suele ser costoso”.

Las ganancias potenciales en la densidad de energía que proporcionan las baterías de estado sólido provienen del hecho de que permiten el uso de metal de litio puro como uno de los electrodos, que es mucho más liviano que los electrodos que se usan actualmente hechos de grafito con infusión de litio.

El equipo ahora está estudiando la siguiente parte del rendimiento de tales baterías, que es cómo estos enlaces se mantienen a largo plazo durante el ciclo de la batería. Mientras tanto, los nuevos hallazgos podrían aplicarse rápidamente a la producción de baterías, dice. “Lo que estamos proponiendo es un proceso relativamente simple en la fabricación de las células. No agrega mucha penalización de energía a la fabricación. Por lo tanto, creemos que se puede adoptar con relativa facilidad en el proceso de fabricación”, y los costos adicionales, según han calculado, deberían ser insignificantes.

Grandes empresas como Toyota ya están trabajando en la comercialización de versiones tempranas de baterías de iones de litio de estado sólido, y estos nuevos hallazgos podrían ayudar rápidamente a dichas empresas a mejorar la economía y la durabilidad de la tecnología.

La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT. El equipo utilizó instalaciones respaldadas por la Fundación Nacional de Ciencias e instalaciones en el Laboratorio Nacional de Brookhaven respaldadas por el Departamento de Energía.