El mismo proceso que agota la batería de tu teléfono móvil incluso cuando está apagado es aún más problemático para las baterías de metal-litio, que se están desarrollando para la próxima generación de dispositivos electrónicos más pequeños y ligeros, vehículos eléctricos de gran autonomía y otros usos.

Ahora, científicos de la Universidad de Stanford y del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía han estudiado por primera vez a escala atómica cómo este proceso, llamado «envejecimiento por calendario», ataca a los ánodos de metal de litio, o electrodos negativos. Descubrieron que la naturaleza del electrolito de la batería, que transporta la carga entre los electrodos, tiene un gran impacto en el envejecimiento, un factor que hay que tener en cuenta a la hora de desarrollar electrolitos que maximicen el rendimiento de una batería.

El estudio también reveló que el envejecimiento por calendario puede agotar el 2-3% de la carga de una batería de litio-metal en sólo 24 horas, una pérdida que llevaría tres años en una batería de iones de litio. Aunque esta pérdida de carga se ralentiza con el tiempo, se acumula rápidamente y puede reducir la vida útil de la batería en un 25%.

«Nuestro trabajo sugiere que el electrolito puede marcar una gran diferencia en la estabilidad de las baterías almacenadas», dijo el profesor de SLAC y Stanford Yi Cui, que dirigió el estudio con el profesor de Stanford Zhenan Bao. «Esto es algo a lo que la gente no ha dedicado mucho tiempo ni ha utilizado como forma de entender lo que ocurre».

Baterías más ligeras para coches de largo alcance

Al igual que las actuales baterías de iones de litio, las de metal-litio utilizan iones de litio para transportar la carga de un lado a otro de los electrodos. Pero mientras las baterías de iones de litio tienen ánodos de grafito, las baterías de litio-metal tienen ánodos de litio metálico, que es mucho más ligero y tiene el potencial de almacenar mucha más energía para un volumen y peso determinados. Esto es especialmente importante para los vehículos eléctricos, que gastan una cantidad significativa de energía arrastrando sus pesadas baterías. Aligerar su carga podría reducir su coste y aumentar su autonomía, haciéndolos más atractivos para los consumidores.

El Consorcio Battery 500 del DOE, que incluye a SLAC y Stanford, tiene como objetivo desarrollar baterías de metal-litio para vehículos eléctricos que puedan almacenar casi tres veces más carga por unidad de peso que las baterías actuales de los vehículos eléctricos. Aunque han avanzado mucho en el aumento de la densidad energética y la vida útil de estas baterías, aún les queda camino por recorrer. También están luchando contra el problema de las dendritas, crecimientos en forma de dedos en el ánodo que pueden provocar un cortocircuito en la batería y un incendio.

En los últimos años, Bao y Cui, investigadores del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford, en el SLAC, han colaborado en la búsqueda de soluciones a estos problemas, como un nuevo recubrimiento para evitar el crecimiento de dendritas en los ánodos de metal de litio y un nuevo electrolito que también impide el crecimiento de las dendritas.

La mayoría de estos estudios se han centrado en minimizar los daños causados por las cargas y descargas repetidas, que tensan y agrietan los electrodos y limitan la vida útil de la batería, dijo David Boyle, estudiante de doctorado en el laboratorio de Cui.

Pero en este estudio, dijo, el equipo quería probar una variedad de electrolitos con diferentes composiciones químicas para obtener una imagen general de cómo envejecen los ánodos de metal de litio.

Corrosión agresiva

En primer lugar, Boyle midió la eficiencia de carga de las baterías de litio-metal que contenían varios tipos de electrolitos. A continuación, él y su compañero de doctorado William Huang desmontaron cuidadosamente las baterías que se habían cargado por completo y se habían dejado reposar durante un día, retiraron el ánodo y lo congelaron en nitrógeno líquido para preservar su estructura y química en un punto específico del proceso de envejecimiento del calendario.

A continuación, Huang examinó los ánodos con un microscopio electrónico criogénico, o crio-EM, en el campus de Stanford para ver cómo los distintos electrolitos afectaban al ánodo a escala casi atómica. Se trata de un método que el grupo de Cui puso en marcha hace unos años para estudiar la vida interior de los componentes de las baterías.

En las baterías de iones de litio actuales, el electrolito corroe la superficie del ánodo, creando una capa llamada interfase sólido-electrolito, o SEI. Esta capa es a la vez Jekyll y Hyde: consume una pequeña cantidad de la capacidad de la batería, pero también protege el ánodo de una mayor corrosión. Así que, en conjunto, una capa SEI suave y estable es buena para el funcionamiento de la batería.

Pero en las baterías de litio-metal, una fina capa de litio-metal se deposita en la superficie del ánodo cada vez que la batería se carga, y esta capa ofrece una superficie nueva para la corrosión durante el envejecimiento del calendario. Además, «encontramos un crecimiento mucho más agresivo de la capa de SEI en estos ánodos debido a reacciones químicas más agresivas con el electrolito», dijo Huang.

Cada electrolito que probaron dio lugar a un patrón distintivo de crecimiento de SEI, con algunos formando grupos, películas o ambos, y esos patrones de crecimiento irregulares se asociaron con una corrosión más rápida y una pérdida de eficiencia de carga.

Encontrar el equilibrio

Contrariamente a lo que se esperaba, los electrolitos que, de otro modo, soportarían una carga altamente eficiente eran tan propensos a la caída de la eficiencia debido al envejecimiento del calendario como los electrolitos de bajo rendimiento, dijo Cui. No había una química de electrolitos que hiciera bien ambas cosas.

Por tanto, para minimizar el envejecimiento del calendario, el reto será reducir al mínimo tanto la naturaleza corrosiva del electrolito como la extensión del metal de litio en la superficie del ánodo que puede atacar.

«Lo realmente importante es que esto nos da una nueva forma de investigar qué electrolitos son más prometedores», dijo Bao. «Señala un nuevo criterio de diseño de electrolitos para conseguir los parámetros que necesitamos para la próxima generación de tecnología de baterías».