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 disponibles actualmente en el mercado suelen utilizar 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 la batería se recarga, los iones fluyen en la dirección opuesta, desde el cátodo, a través del electrolito, hasta el ánodo.

Las baterías de iones de litio que utilizan electrolitos líquidos presentan un grave problema de seguridad: pueden incendiarse si se sobrecargan o sufren un cortocircuito. Una alternativa más segura a los electrolitos líquidos es construir una batería que utilice un electrolito sólido para transportar los iones de litio entre el ánodo y el cátodo.

Sin embargo, estudios previos han demostrado que un electrolito sólido provoca la formación de pequeñas estructuras metálicas, denominadas dendritas, que se acumulan en el ánodo durante la carga de la batería. Estas dendritas provocan cortocircuitos en las baterías a bajas corrientes, dejándolas inservibles.

El crecimiento de dendritas comienza en pequeñas imperfecciones del electrolito, en la interfaz entre el electrolito y el ánodo. Científicos en India han descubierto recientemente una forma de ralentizar este crecimiento. Al añadir una fina capa metálica entre el electrolito y el ánodo, logran impedir que las dendritas crezcan hacia el 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 forman aleaciones, con el litio. Los científicos creían que esto reduciría la probabilidad de que se formaran defectos en el litio. Si el metal elegido se aleara con el litio, pequeñas cantidades de litio podrían migrar a la capa metálica con el tiempo. Esto dejaría un tipo de defecto llamado vacío en el litio, donde posteriormente podría formarse una dendrita.

Para comprobar la eficacia 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 detenidamente el límite entre el ánodo y el electrolito. Observaron pequeños huecos y orificios en la muestra sin capa metálica, lo que sugiere que estas imperfecciones son posibles puntos de crecimiento de dendritas. Las baterías con capas de aluminio y tungsteno presentaban una superficie lisa y continua.

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 en las primeras 9 horas, probablemente debido al crecimiento de dendritas. Ninguna de las baterías con aluminio o tungsteno falló en este experimento inicial.

Para determinar qué capa metálica era más eficaz para detener el crecimiento de dendritas, se realizó otro experimento únicamente con muestras de capas de aluminio y tungsteno. En este experimento, las baterías se sometieron a ciclos con densidades de corriente crecientes, comenzando con la corriente utilizada en el experimento anterior y aumentándola ligeramente en cada paso.

Se creía que la densidad de corriente a la que la batería sufría un cortocircuito era la densidad de corriente crítica para el crecimiento de dendritas. La batería con una capa de aluminio falló con una corriente tres veces superior a la inicial, y la batería con una capa de tungsteno falló con una corriente cinco veces superior a la inicial. Este experimento demuestra que el tungsteno tuvo un mejor rendimiento que el aluminio.

Nuevamente, los científicos utilizaron un microscopio electrónico de barrido para inspeccionar el límite entre el ánodo y el electrolito. Observaron que se empezaron a formar huecos en la capa metálica a dos tercios de la densidad de corriente crítica medida en el experimento anterior. Sin embargo, no se observaron huecos a un tercio de la densidad de corriente crítica. Esto confirmó que la formación de huecos precede al crecimiento dendrítico.

Posteriormente, los científicos realizaron cálculos computacionales para comprender cómo interactúa el litio con estos metales, utilizando el conocimiento previo sobre la respuesta del tungsteno y el aluminio a los cambios de energía y temperatura. Demostraron que las capas de aluminio presentan una mayor probabilidad de desarrollar huecos al interactuar con el litio. Estos cálculos facilitarían la selección de otro tipo de metal para futuras pruebas.

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 en lugar de otro, en este caso tungsteno en vez de aluminio, podría prolongar aún más la vida útil de las baterías. Mejorar el rendimiento de este tipo de baterías las acercará un paso más a sustituir las baterías de electrolito líquido, altamente inflamables, que se comercializan actualmente.