INNOVACIÓN. La baterías de metal Litio podrían duplicar su capacidad de carga

 

El equilibrio sensible a la temperatura que gobierna el proceso de formación y descomposición de LiH en el ánodo de Li. Fuente: Xu Gaojie 

Las baterías de metal de litio podrían duplicar la cantidad de energía que contienen las baterías de iones de litio, si tan solo sus ánodos no se rompen en pedazos pequeños cuando se usan. Esto ofrece la esperanza de mejorar radicalmente la energía contenida en las baterías sin aumentar su tamaño y a un costo reducido.

De hecho, las LMB (baterías de metal litio) eran el concepto original de baterías de larga duración, pero sus ánodos se descomponen en pequeños pedazos, una microestructura conocida como "pulverización". Por lo tanto, las LMB dejan de funcionar rápidamente cuando se realizan un ciclo. Las baterías de iones de litio fueron en realidad un compromiso: modificar el concepto LMB evitó la falla del ánodo mediante el uso de ánodo de grafito, pero a un costo de niveles de almacenamiento de energía mucho más bajos.

Uno de los problemas que enfrenta el desarrollo de las LMB ha sido la falta de comprensión, e incluso la controversia, sobre por qué falla el ánodo. Convencionalmente, se argumenta que durante el ciclo de la batería se forman diminutas estructuras de litio con forma de ramas de árbol llamadas dendritas. Además, la estructura de pulverización siempre aparece en cualquier LMB fallido.

Sin embargo, lo que ha sido controvertido es si el hidruro de litio (LiH) está presente en la estructura de pulverización. LiH tiene poca conductividad eléctrica, pero también es muy frágil, lo que explicaría la pulverización. En el pasado, un grupo de investigadores había identificado a LiH como un tipo distinto de dendrita, pero otro grupo no encontró nada en este sentido.

Sin embargo, ambos grupos de investigación solo habían utilizado versiones simplificadas de un LMB. Para investigar adecuadamente lo que está sucediendo, el equipo de investigación de QIBEBT ejecutó un LMB práctico en condiciones operativas típicas. Usando un tipo de espectrometría de masas (una herramienta analítica que permite la identificación de compuestos desconocidos), los investigadores pudieron confirmar que LiH se convirtió en el compuesto dominante en el ánodo mientras se usaba la batería.

Pero lo que es más importante, descubrieron que esta reacción química es sensible a la temperatura: solo ocurre a temperatura ambiente y el proceso se puede revertir si la temperatura sube por encima de este nivel. Esto sugiere formas en que se puede prevenir la producción de LiH, ya sea mediante un tratamiento térmico o un tratamiento a presión que produzca el mismo efecto, o una combinación de los dos. Las opciones adicionales incluyen la supresión de la producción de iones de hidrógeno o la colocación de materiales de interfaz que pueden proteger el litio del hidrógeno.

A partir de este estudio, el siguiente paso es producir alguna forma de protección de litio realmente buena, que luego debería cumplir la promesa de larga duración de aplicaciones prácticas; el 'santo grial' de las baterías de metal de litio.

Más información: Gaojie Xu et al, The formation/decomposition equilibrium of LiH and its contribution on anode failure in practical lithium metal batteries, Angewandte Chemie International Edition (2021). DOI: 10.1002/anie.202013812

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