Investigadores surcoreanos desarrollan una batería de estado sólido sin ánodo de solo 2,77 micrómetros de grosor
Investigadores de la Universidad Dongguk, en Corea del Sur, han desarrollado un prototipo de batería de estado sólido sin ánodo con una densidad energética de 235 Wh/l tras 100 ciclos de carga. La batería, de solo 2,77 micrómetros de grosor, emplea una novedosa capa intermedia de estaño y carbono que ayuda a reducir las pérdidas de litio y a mejorar la fiabilidad. Aún no supone un avance decisivo para las baterías de vehículos eléctricos, pero este enfoque podría ayudar a resolver uno de los principales problemas técnicos de las baterías de estado sólido.
La batería forma su ánodo durante la carga
El estudio, publicado en la revista científica Advanced Energy Materials con el título «Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode», se centra en controlar la deposición de litio en las baterías de estado sólido. En una batería convencional de iones de litio, el ánodo y el cátodo son elementos separados, y los iones de litio se desplazan entre ellos durante la carga. El nuevo diseño carece de una capa de ánodo convencional en el momento de su fabricación. Durante la primera carga, el litio pasa del cátodo al colector de corriente y forma sobre él una capa de litio metálico.
Este enfoque permite reducir el tamaño de la batería y aumentar la energía almacenada por unidad de volumen. El problema, sin embargo, es que una deposición desigual del litio puede provocar pérdida de capacidad y cortocircuitos internos.
El estaño y el carbono mejoran la estabilidad de la batería
La solución de los investigadores emplea un colector de corriente de cobre al que añadieron una capa intermedia ultrafina de estaño y carbono.
El estaño ayuda a iniciar la deposición del litio, mientras que el carbono contribuye a distribuirlo de forma más uniforme. Esto reduce el riesgo de que se formen estructuras irregulares de litio durante la carga o de que parte del litio quede eléctricamente aislado y deje de contribuir al almacenamiento de energía. Los investigadores también emplearon la prelitiación: añadieron una pequeña reserva de litio al sistema para compensar las pérdidas irreversibles durante los primeros ciclos de funcionamiento.
El prototipo combina un cátodo de óxido de litio y vanadio con un electrolito sólido de tipo LiPON. El cátodo tiene aproximadamente 2 micrómetros de grosor, mientras que la celda completa mide 2,77 micrómetros de grosor.
Tras 100 ciclos de carga y descarga, la celda alcanzó una densidad energética volumétrica de 235,13 Wh/l. Las pruebas se realizaron con una corriente muy baja, a una tasa de carga de 0,01 C.
La densidad energética aún no es suficiente para los vehículos eléctricos
Aunque el resultado muestra una nueva vía para desarrollar baterías de estado sólido, 235 Wh/l no es una cifra excepcional según los estándares de los vehículos eléctricos actuales.
Las baterías modernas de iones de litio pueden alcanzar densidades energéticas de varios cientos de Wh/l a nivel de celda. Por tanto, el prototipo de Dongguk no puede considerarse un competidor directo de las baterías para vehículos eléctricos que desarrollan Toyota, CATL u otros grandes fabricantes de baterías.
El principio de diseño en el que se basa es más importante. Una arquitectura sin ánodo podría reducir el uso de materiales y permitir fabricar celdas más compactas en el futuro.
Sin embargo, en el caso del prototipo actual siguen abiertas cuestiones sobre la durabilidad a largo plazo, la carga con corrientes elevadas, los costes de producción y la adaptación de la tecnología a la fabricación de baterías a gran escala.
El nuevo enfoque podría ser especialmente adecuado para dispositivos electrónicos para llevar puestos, dispositivos médicos y pequeños sensores, en los que las dimensiones de la batería suelen importar más que la densidad energética.
Una línea de investigación importante para la industria europea de las baterías
Los fabricantes europeos de baterías y los grupos automovilísticos están invirtiendo en baterías de estado sólido con la esperanza de aumentar la autonomía, mejorar la seguridad y reducir la dependencia de las baterías convencionales de iones de litio.
El trabajo de la Universidad Dongguk muestra, no obstante, que el éxito de las baterías de estado sólido no depende únicamente de nuevos electrolitos. Controlar los procesos en las interfaces de los electrodos es, como mínimo, igual de importante.
El verdadero valor del estudio no reside en su densidad energética de 235 Wh/l, sino en la posibilidad de mejorar la estabilidad de una batería sin ánodo. Si los investigadores logran aplicar el mismo principio a celdas de mayor tamaño y con corrientes de carga más elevadas, podría contribuir al desarrollo de baterías de nueva generación.
Por ahora, la tecnología sigue en el laboratorio. Necesitaría un desarrollo adicional considerable antes de poder utilizarse en vehículos eléctricos.
