Las baterías recargables de iones de litio se utilizan para alimentar muchos dispositivos electrónicos en nuestra vida cotidiana, desde computadoras portátiles y teléfonos celulares hasta automóviles eléctricos.Las baterías de iones de litio que se encuentran actualmente en el mercado suelen depender de una solución líquida, llamada electrolito, en el centro de la celda.

Cuando la batería alimenta un dispositivo, los iones de litio se mueven desde el extremo con carga negativa, o ánodo, a través del electrolito líquido, hasta el extremo con carga positiva, o cátodo.Cuando se recarga la batería, los iones fluyen en la otra dirección desde el cátodo, a través del electrolito, hasta el ánodo.

Las baterías de iones de litio que dependen de electrolitos líquidos tienen un importante problema de seguridad: pueden incendiarse cuando se sobrecargan o se cortocircuitan.Una alternativa más segura a los electrolitos líquidos es construir una batería que utilice un electrolito sólido para transportar iones de litio entre el ánodo y el cátodo.

Sin embargo, estudios anteriores han descubierto que un electrolito sólido provocaba pequeños crecimientos metálicos, llamados dendritas, que se acumulaban en el ánodo mientras la batería se estaba cargando.Estas dendritas provocan un cortocircuito en las baterías con corrientes bajas, dejándolas inutilizables.

El crecimiento de las dendritas comienza en pequeños defectos del electrolito en el límite entre el electrolito y el ánodo.Científicos de la India han descubierto recientemente una forma de frenar el crecimiento de las dendritas.Al agregar una fina capa metálica entre el electrolito y el ánodo, pueden evitar que las dendritas crezcan dentro del ánodo.

Los científicos optaron por estudiar el aluminio y el tungsteno como posibles metales para construir esta fina capa metálica.Esto se debe a que ni el aluminio ni el tungsteno se mezclan o alean con el litio.Los científicos creían que esto reduciría la probabilidad de que se formaran fallas en el litio.Si el metal elegido se aleara con litio, con el tiempo podrían pasar pequeñas cantidades de litio a la capa metálica.Esto dejaría un tipo de defecto llamado vacío en el litio donde luego podría formarse una dendrita.

Para probar la efectividad de la capa metálica, se ensamblaron tres tipos de baterías: una con una fina capa de aluminio entre el ánodo de litio y el electrolito sólido, otra con una fina capa de tungsteno y otra sin capa metálica.

Antes de probar las baterías, los científicos utilizaron un microscopio de alta potencia, llamado microscopio electrónico de barrido, para observar de cerca el límite entre el ánodo y el electrolito.Vieron pequeños huecos y agujeros en la muestra sin capa metálica, y señalaron que estos defectos son probablemente lugares donde crecen las dendritas.Tanto las baterías con capas de aluminio como de tungsteno parecían suaves y continuas.

En el primer experimento, se hizo circular una corriente eléctrica constante a través de cada batería durante 24 horas.La batería sin capa metálica sufrió un cortocircuito y falló dentro de las primeras 9 horas, probablemente debido al crecimiento de dendritas.Ninguna batería de aluminio o tungsteno falló en este experimento inicial.

Para determinar qué capa de metal era mejor para detener el crecimiento de dendritas, se realizó otro experimento solo con las muestras de las capas de aluminio y tungsteno.En este experimento, las baterías pasaron por densidades de corriente crecientes, comenzando con la corriente utilizada en el experimento anterior y aumentando en una pequeña cantidad en cada paso.

Se creía que la densidad de corriente a la que la batería cortocircuitaba era la densidad de corriente crítica para el crecimiento de las dendritas.La batería con una capa de aluminio falló a tres veces la corriente de arranque, y la batería con una capa de tungsteno falló a más de cinco veces la corriente de arranque.Este experimento muestra que el tungsteno superó al aluminio.

Nuevamente, los científicos utilizaron un microscopio electrónico de barrido para inspeccionar el límite entre el ánodo y el electrolito.Vieron que comenzaban a formarse huecos en la capa de metal a dos tercios de las densidades de corriente críticas medidas en el experimento anterior.Sin embargo, no había huecos a un tercio de la densidad de corriente crítica.Esto confirmó que la formación de huecos precede al crecimiento de las dendritas.

Luego, los científicos realizaron cálculos computacionales para comprender cómo interactúa el litio con estos metales, utilizando lo que sabemos sobre cómo responden el tungsteno y el aluminio a los cambios de energía y temperatura.Demostraron que las capas de aluminio tienen una mayor probabilidad de desarrollar huecos cuando interactúan con el litio.El uso de estos cálculos facilitaría la elección de otro tipo de metal para realizar pruebas en el futuro.

Este estudio ha demostrado que las baterías de electrolito sólido son más fiables cuando se añade una fina capa metálica entre el electrolito y el ánodo.Los científicos también demostraron que elegir un metal u otro, en este caso tungsteno en lugar de aluminio, podría hacer que las baterías duren aún más.Mejorar el rendimiento de este tipo de baterías las acercará un paso más a la sustitución de las baterías de electrolito líquido altamente inflamables que se encuentran en el mercado actual.