Avances en Princeton: baterías de estado sólido prometen superar a las de litio con más potencia y menor costo

Tradicionalmente, las baterías de litio tienen dos electrodos: uno positivo, también llamado cátodo, y otro negativo, o ánodo. Cada uno está emparejado con una lámina fina de metal llamada colector de corriente, que conecta la batería al circuito externo, y ambos están separados entre sí por un electrolito, generalmente líquido, que permite el movimiento de los iones.

Este tipo de baterías de litio son una opción eficiente porque, a pesar de ser ligeras y compactas, tienen una alta densidad energética, lo que significa que pueden almacenar mucha energía en poco espacio. Sin embargo, ya se investiga una alternativa aún más eficiente y económica: las baterías de estado sólido sin ánodo.

Más eficientes y baratas que las de litio actual

Investigadores de la Universidad de Princeton (EE.UU.) lideran la investigación que busca crear baterías de litio sin ánodo. En este diseño, cuando la batería se carga, los iones viajan directamente del cátodo al colector de corriente, donde se almacenan temporalmente como una fina capa de metal. Tras usarse la batería, los iones vuelven al cátodo, generando la energía para alimentar los dispositivos.

Estas baterías de estado sólido sin ánodo tienen la ventaja de abaratar los costos, al eliminar una de las piezas (ánodo), y también mejorar la eficiencia: al ser más compactas, pueden almacenar más energía en el mismo volumen.

Con menos piezas se simplifica la fabricación y se eliminan algunos defectos que pueden causar fallas en las baterías tradicionales. “Si se pudiera ensamblar una batería sin un ánodo de litio metálico, se reducirían enormemente los costos y se aprovecharían los procesos de fabricación existentes”, afirmó Kelsey Hatzell, profesora e investigadora del Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente de la Universidad de Princeton, quien lidera el estudio de las nuevas baterías.

A diferencia de las baterías de iones de litio tradicionales, estas tienen un electrolito de estado sólido en lugar de líquido, lo que las hace más seguras, duraderas y capaces de funcionar en un rango más amplio de temperaturas. También permitirían que los autos eléctricos recorran más kilómetros con una sola carga, asegura una publicación de la universidad estadounidense.

Los desafíos por resolver

Aunque estas baterías parecen revolucionarias, aún enfrentan problemas técnicos. El mayor reto es lograr un buen contacto entre el electrolito sólido y el colector de corriente, para que los iones se depositen y liberen de manera uniforme al cargar y descargar la batería. En eso está trabajando Kelsey Hatzell y un grupo de investigadores.

“Si logramos introducir con éxito estas prometedoras baterías, podremos acceder a densidades energéticas que son imposibles con las baterías convencionales”, afirmó la investigadora.

Pero aún faltan detalles para que puedan producirse. “El Santo Grial en este campo será descubrir cómo mantener un contacto sólido a bajas presiones, ya que fabricar un electrolito sin defectos es prácticamente imposible”, afirmó Hatzell. “Si queremos aprovechar el potencial de estas baterías, tenemos que resolver el problema del contacto”.

En artículos publicados en ACS Energy Letters y Advanced Energy Materials, han demostrado que es posible lograr un recubrimiento que facilite un mejor transporte de iones. En consonancia con investigaciones anteriores, el equipo descubrió que las capas intermedias hechas de nanopartículas de carbono y plata eran las mejores para lograr una deposición uniforme del metal. Pero el tamaño es clave.

Además de su trabajo experimental, Hatzell y varios colaboradores revisaron el estado actual de las baterías de estado sólido sin ánodo en un artículo publicado en Nature Materials, resumiendo el progreso reciente e identificando brechas de investigación pendientes.

“El desafío será pasar de la investigación al mundo real en tan solo unos pocos años”, afirmó Hatzell.

Referencias de la noticia

-Princeton Engineering News. Leading the charge to better batteries.

-ACS Energy Letters. Filament-induced failure in lithium-reservoir-free solid-state batteries.

-Nature Materials. Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries.