Las baterías de litio-metal de estado sólido (LMBs) se presentan como soluciones prometedoras para el almacenamiento de energía, ya que incorporan un ánodo de litio metálico y electrolitos de estado sólido (SSEs), en contraste con los líquidos que se encuentran en las baterías de litio convencionales. Aunque las LMBs de estado sólido podrían exhibir densidades de energía significativamente más altas en comparación con las baterías de iones de litio (LiBs), los electrolitos sólidos que contienen son propensos al crecimiento de dendritas, lo que reduce su estabilidad y seguridad.
Investigadores de la Western University en Canadá, la Universidad de Maryland en Estados Unidos y otras instituciones han diseñado recientemente un nuevo electrolito de estado sólido β-Li3N, rico en vacantes y que conduce de manera superiónica. Este electrolito, descrito en un artículo publicado en Nature Nanotechnology, podría permitir un ciclo estable de las LMBs de estado sólido, facilitando potencialmente su comercialización.
Avances en la investigación de baterías de litio-metal
Weihan Li, primer autor del artículo, afirmó: «El objetivo principal de nuestro trabajo fue desarrollar SSEs superiónicos que sean estables con litio para las LMBs de estado sólido, particularmente apuntando a su aplicación en vehículos eléctricos (EVs).» El mercado de los vehículos eléctricos está experimentando un crecimiento acelerado, pero una de las limitaciones clave sigue siendo el corto rango de conducción de 300 a 400 millas por carga, principalmente debido a la limitada densidad de energía (~300 Wh/kg) de las baterías de iones de litio convencionales.
Las baterías de litio-metal de estado sólido representan una solución prometedora a este desafío, ya que ofrecen la posibilidad de lograr densidades de energía de hasta 500 Wh/kg, ampliando así el rango de conducción a más de 600 millas por carga. Hasta ahora, uno de los principales retos en el desarrollo de las LMBs de estado sólido ha sido la falta de SSEs seguras, confiables y de alto rendimiento.
Li y sus colegas se enfocaron en diseñar un nuevo electrolito que combine alta estabilidad frente al litio metálico con una alta conductividad iónica. «Basándonos en nuestro entendimiento previo de los SSEs, identificamos los nitruros como una clase de materiales estables frente al litio metálico», explicó Li. «Sin embargo, los nitruros convencionales presentan baja conductividad iónica. Al aprovechar nuestro conocimiento de los mecanismos de conducción de litio, diseñamos un SSE β-Li3N rico en vacantes.»
En pruebas iniciales, el nuevo SSE β-Li3N, desarrollado por este equipo de investigadores, demostró una mejora de 100 veces en la conductividad iónica y una mayor estabilidad en comparación con el Li3N comercial. Este material prometedor podría ayudar a superar las limitaciones típicamente asociadas con el desarrollo de LMBs de estado sólido de alto rendimiento.
El electrolito fue sintetizado mediante un proceso de molienda de alta energía, el cual permitió introducir un número controlado de vacantes en la estructura del material, lo que mejoró sus propiedades. «La conductividad iónica del β-Li3N rico en vacantes es 100 veces mayor que la del Li3N comercial», explicó Li. «Presenta una excelente estabilidad química frente al litio metálico, lo que permite la fabricación de LMBs de estado sólido con larga duración de ciclo.»
Cuando integraron su nuevo SSE en una LMB, los investigadores alcanzaron una conductividad iónica sin precedentes para un SSE, alcanzando 2.14 × 10−3 S cm−1 a 25°C. Las celdas de batería simétricas basadas en el electrolito lograron altas densidades de corriente crítica de hasta 45 mA cm−2 y capacidades de hasta 7.5 mAh cm−2, así como procesos de estratificación y recubrimiento de litio ultraestables durante más de 2,000 ciclos.
Los hallazgos de este estudio son significativos, ya que abordan dos de los desafíos más críticos en el desarrollo de las LMBs de estado sólido. El nuevo material sintetizado por este equipo de investigadores podría abrir emocionantes posibilidades para la fabricación de LMBs de estado sólido, mejorando potencialmente su densidad de energía y acelerando su carga. Estas baterías podrían eventualmente integrarse en vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos grandes, para extender su vida útil de la batería y reducir el tiempo de carga necesario.
En el futuro, Li planea centrarse en dos direcciones principales: abordar los desafíos interfaciales restantes en las LMBs de estado sólido para mejorar aún más la conducción de iones de litio y extender la vida útil de la batería, así como desarrollar celdas prototipo y celdas tipo bolsa a escala comercial basadas en β-Li3N rico en vacantes.
Más información:
Weihan Li et al, Superionic conducting vacancy-rich β-Li3N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01813-z
