Una nueva investigación podría llevar a conseguir baterías metálicas más seguras y estables

Las baterías metálicas pueden proporcionar más energía, con menos peso, que las populares baterías de iones de litio. El problema, sin embargo, es que esta tecnología tiene actualmente una vida útil demasiado corta debido a la naturaleza altamente reactiva del metal de litio de estas baterías. Una nueva investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) muestra dónde residen los problemas y cómo superarlos creando el electrodo metálico directamente en la célula de la batería.

Las baterías de iones de litio son la opción más popular hoy en día, 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 coches eléctricos de mayor autonomía o aviones eléctricos para distancias más cortas. 

Por eso, la atención se centra ahora en las baterías con electrodos metálicos, en las que el electrodo de grafito de la batería de iones de litio se ha sustituido por litio metálico. Por ejemplo, las baterías de estado sólido, consideradas una de las tecnologías más prometedoras del futuro, utilizan un electrodo metálico y proporcionan celdas que suministran una mayor cantidad de energía que la actual batería de iones de litio. Sin embargo, los electrodos metálicos adolecen de un problema: el metal es reactivo, lo que significa que reacciona fácilmente con el entorno y es difícil crear una célula de larga duración.

Las baterías metálicas son una de las áreas de interés del grupo de investigación del profesor Aleksandar Matic, del Departamento de Física de Chalmers. Fueron el primer equipo de investigación que utilizó rayos X en 3D para observar en tiempo real cómo se comporta el litio de una batería de metal de litio durante su uso. Estos experimentos han aportado nuevos conocimientos sobre el problema crucial que se plantea en este tipo de baterías, a saber, que el litio forma «dendritas», o estructuras desiguales, durante la carga y la descarga, lo que con el tiempo afecta a la estabilidad y el funcionamiento de la batería.

Evita las capas superficiales que dañan el electrodo metálico

Los investigadores han seguido profundizando en estos conocimientos. Recientemente presentaron los resultados de sus investigaciones sobre baterías metálicas en la revista Journal of The Electrochemical Society, mostrando una forma sencilla de evitar la formación de una capa superficial en el electrodo metálico reactivo, que deteriora la vida útil del ciclo de la batería. Sus resultados apuntan a futuras estrategias para hacer las baterías metálicas 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 al comportamiento del metal en la pila. Sin embargo, hemos visto que estas reacciones pueden evitarse por medios muy sencillos: en lugar de tratar con los materiales reactivos del electrodo fuera de la pila, creamos nuestro electrodo dentro de la pila mediante un proceso llamado galvanoplastia. Esto nos permite evitar que el metal reactivo reaccione con el entorno, lo que supone una ventaja, ya que obtenemos un electrodo más predecible y estable”, afirma Josef Rizell, estudiante de doctorado del Departamento de Física de Chalmers, autor principal del reciente artículo junto con Aleksandar Matic.

Estrategias prometedoras para el rendimiento de las baterías

“Comprender a fondo los procesos que tienen lugar en los electrodos de una batería y a su alrededor -cuando cargamos y descargamos- es crucial para desarrollar mejores baterías en el futuro. Una batería es muy compleja y en ella suceden muchas cosas distintas en paralelo, lo que dificulta el análisis del sistema. Hemos intentado aislar cada reacción o proceso por separado e investigar cómo afecta ese proceso concreto al funcionamiento de la batería. El objetivo es entender mejor lo que ocurre en el electrodo metálico cuando utilizamos una pila y, por tanto, qué estrategias son más prometedoras para que funcionen mejor”, explica Josef Rizell.

Iniciativa gubernamental sobre baterías

El estudio es uno de los muchos que se están llevando a cabo en Chalmers en materia de investigación sobre baterías. Aleksandar Matic es el director de Compel en Chalmers, una iniciativa gubernamental que implica una mayor financiación de 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 a nuevos conceptos y tecnologías de baterías. Sin ella, sólo se pueden probar cosas, como orientarse sin un mapa. Aquí es donde sentamos las bases de futuras innovaciones que contribuyan al desarrollo sostenible de la sociedad. Las baterías son ya una parte clave de ese desarrollo, y su importancia no hará sino aumentar en el futuro”, afirma Aleksandar Matic.

Cómo se crea el electrodo de la pila

El metal puede producirse electroquímicamente mediante un proceso llamado galvanoplastia. Un voltaje conduce electrones a un electrodo y el metal se forma en la superficie del electrodo por la reacción de los electrones con los iones del electrolito. Cuando se recarga una batería metálica, se produce esta misma reacción. El mismo proceso puede utilizarse también para producir un electrodo metálico directamente en la célula de la pila. Al crear el electrodo metálico dentro de la pila, el metal nunca tiene la oportunidad de reaccionar con las impurezas del exterior de la pila y tiene una capa superficial mejor y más estable.