Las baterías de metal tienen el potencial de brindar más energía, con un peso menor, que la popular batería de iones de litio. Sin embargo, el problema es que la tecnología actualmente tiene una vida útil demasiado corta debido a la naturaleza altamente reactiva del metal de litio dentro de estas baterías. Una nueva investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, muestra dónde se encuentran los problemas y cómo superarlos creando el electrodo metálico directamente en la celda de la batería.
Las baterías de iones de litio son la opción de batería más popular en la actualidad, pero en una sociedad que se enfrenta a una electrificación generalizada, se necesitan nuevas tecnologías de baterías que puedan proporcionar más energía por peso o volumen. Esto es importante para el desarrollo de automóviles eléctricos de mayor autonomía o aeronaves eléctricas para distancias más cortas. Por lo tanto, ahora la atención se está centrando en las baterías con electrodos metálicos, donde el electrodo de grafito de la batería de iones de litio ha sido reemplazado por metal de litio. Por ejemplo, las baterías de estado sólido, consideradas una de las tecnologías más prometedoras, utilizan un electrodo metálico y proporcionan celdas que ofrecen una mayor cantidad de energía que la batería de iones de litio actual. Sin embargo, los electrodos metálicos sufren un problema: el metal es reactivo, lo que significa que reacciona fácilmente con el entorno y es difícil crear una celda duradera.
Las baterías metálicas son uno de los campos de investigación del grupo del profesor Aleksandar Matic en el Departamento de Física de Chalmers. Fueron el primer equipo de investigación en utilizar rayos X en 3D para monitorear cómo se comporta el litio en una batería de metal de litio en tiempo real durante su uso . Estos experimentos han llevado a nuevos conocimientos sobre el problema crucial que surge en este tipo de baterías: el litio forma “dendritas”, o estructuras desiguales durante la carga y descarga, lo que con el tiempo afecta la estabilidad y la función de la batería.
Evita las capas superficiales que dañan el electrodo metálico
Estos son conocimientos sobre los que los investigadores han seguido construyendo. Recientemente presentaron sus resultados de investigación sobre baterías metálicas en el Journal of The Electrochemical Society, mostrando una forma sencilla de evitar la formación de una capa superficial en el electrodo metálico reactivo, lo que deteriora el ciclo de vida de la batería. Sus resultados apuntan a estrategias futuras para hacer que las baterías metálicas sean más estables y seguras.
“Trabajamos en un entorno muy inerte, pero incluso allí el metal encuentra algo con lo que reaccionar y se forma una capa superficial que afecta la forma en que se comporta el metal en la batería. Sin embargo, hemos visto que estas reacciones se pueden evitar con medios muy simples: en lugar de lidiar con los materiales de electrodos reactivos fuera de la batería, creamos nuestro electrodo dentro de la batería a través de un proceso llamado electrodeposición. Esto nos permite evitar que el metal reactivo reaccione con el entorno, lo cual es una ventaja ya que obtenemos un electrodo más predecible y estable”, dice Josef Rizell, estudiante de doctorado del Departamento de Física de Chalmers, quien es el autor principal del reciente artículo junto con Aleksandar Matic.
Encontrar estrategias prometedoras para el rendimiento de la batería
“Una comprensión fundamental de los procesos que ocurren dentro y alrededor de los electrodos de una batería, cuando cargamos y descargamos, es crucial para desarrollar mejores baterías en el futuro. Una batería es muy compleja y muchas cosas diferentes ocurren en paralelo, lo que hace que el sistema sea difícil de analizar. Hemos intentado aislar cada reacción o proceso por separado e investigar cómo ese proceso particular afecta el funcionamiento de la batería. El objetivo es comprender mejor qué sucede en el electrodo metálico cuando usamos una batería y, por lo tanto, qué estrategias son las más prometedoras para que funcionen mejor”, dice Josef Rizell.
Iniciativa gubernamental sobre baterías
El estudio es uno de los muchos en curso en investigación de baterías en Chalmers. Aleksandar Matic es el Director de Compel de Chalmers, una iniciativa gubernamental que implica un aumento de la financiación para la investigación y la educación en electrificación y tecnología de baterías en Chalmers, la Universidad de Uppsala y la Universidad de Lund.
“Este tipo de investigación fundamental es importante para allanar el camino hacia nuevos conceptos y tecnologías de baterías. Sin ella, solo puedes probar cosas, como orientarte sin mapa. Aquí es donde sentamos las bases para futuras innovaciones que contribuyan a un desarrollo social sostenible. Las baterías ya son una parte clave de ese desarrollo, y su importancia solo aumentará en el futuro”, dice Aleksandar Matic.
Cómo se crea el electrodo en la batería:
El metal se puede producir electroquímicamente a través de un proceso llamado electrodeposición. Un voltaje impulsa los electrones hacia un electrodo y el metal se forma en la superficie del electrodo mediante la reacción de los electrones con los iones del electrolito. Cuando una batería metálica se recarga, es a través de esta misma reacción. El mismo proceso también se puede utilizar para producir un electrodo metálico directamente en la celda de la batería. Al crear el electrodo metálico dentro de la batería, el metal nunca tiene la oportunidad de reaccionar con impurezas fuera de la batería y tiene una capa superficial mejor y más estable.
Más información sobre la investigación:
Los resultados de la investigación se presentan en el artículo Huellas electroquímicas de la placa y el pelado de potasio, publicado en el Journal of The Electrochemical Society el 13 de febrero de 2024, escrito por Josef Rizell, Wojciech Chrobak, Nataliia Mozhzhukhina, Shizhao Xiong and Aleksandar Matic. Todos los investigadores están activos en la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia.
La investigación ha recibido financiación de Formas, Vinnova y el centro de competencia BASE.
Para más información, contacte con:
Aleksandar Matic, Profesor, Departamento de Física, Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia,
+46 31 772 51 76, matic@chalmers.se
Josef Rizell, Estudiante de Doctorado, Departamento de Física, Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia
rizell@chalmers.se
Los investigadores hablan inglés y sueco, y pueden estar disponibles para entrevistas en vivo y pregrabadas.
