El nuevo modelo ofrece soluciones potenciales para el próximo

Un nuevo estudiorealizado por investigadores de la Universidad de Stanford ilumina un camino a seguir para construir baterías de litio-metal mejores y más seguras.

Primas cercanas de las celdas recargables de iones de litio ampliamente utilizadas en dispositivos electrónicos portátiles y automóviles eléctricos, las baterías de metal de litio son tremendamente prometedoras como dispositivos de almacenamiento de energía de próxima generación. En comparación con los dispositivos de iones de litio, las baterías de metal de litio contienen más energía, se cargan más rápido y pesan considerablemente menos.

Sin embargo, hasta la fecha, el uso comercial de baterías recargables de litio-metal ha sido limitado. Una razón principal es la formación de “dendritas”, estructuras metálicas delgadas en forma de árboles que crecen a medida que el litio se acumula en los electrodos dentro de la batería. Estas dendritas degradan el rendimiento de la batería y, en última instancia, provocan fallos que, en algunos casos, pueden incluso provocar incendios peligrosos.

El nuevo estudio abordó este problema de las dendritas desde una perspectiva teórica. Como se describe en el artículo, publicado en el Journal of The Electrochemical Society, los investigadores de Stanford desarrollaron un modelo matemático que reúne la física y la química involucradas en la formación de dendritas.

Este modelo ofreció la idea de que el intercambio de nuevos electrolitos (el medio a través del cual los iones de litio viajan entre los dos electrodos dentro de una batería) con ciertas propiedades podría ralentizar o incluso detener por completo el crecimiento de las dendritas.

"El objetivo de nuestro estudio es ayudar a guiar el diseño de baterías de litio-metal con una vida útil más larga", dijo el autor principal del estudio, Weiyu Li, estudiante de doctorado en ingeniería de recursos energéticos, coasesorado por los profesores Daniel Tartakovsky y Hamdi Tchelepi. "Nuestro marco matemático tiene en cuenta los procesos químicos y físicos clave en las baterías de metal de litio en la escala adecuada".

"Este estudio proporciona algunos de los detalles específicos sobre las condiciones bajo las cuales se pueden formar las dendritas, así como posibles vías para suprimir su crecimiento", dijo el coautor del estudio Tchelepi, profesor de ingeniería de recursos energéticos en la Escuela de Tierra, Energía y Energía de Stanford. Ciencias Ambientales (Stanford Earth).

Los experimentadores se han esforzado durante mucho tiempo por comprender los factores que conducen a la formación de dendritas, pero el trabajo de laboratorio requiere mucha mano de obra y los resultados han resultado difíciles de interpretar. Al reconocer este desafío, los investigadores desarrollaron una representación matemática de los campos eléctricos internos de las baterías y el transporte de iones de litio a través del material electrolítico, junto con otros mecanismos relevantes.

Con los resultados del estudio en la mano, los experimentadores pueden centrarse en combinaciones físicamente plausibles de materiales y arquitectura. "Nuestra esperanza es que otros investigadores puedan utilizar esta guía de nuestro estudio para diseñar dispositivos que tengan las propiedades correctas y reduzcan el rango de variaciones experimentales de prueba y error que tienen que hacer en el laboratorio", dijo Tchelepi.

Específicamente, las nuevas estrategias para el diseño de electrolitos solicitadas por el estudio incluyen la búsqueda de materiales que sean anisotrópicos, lo que significa que exhiben diferentes propiedades en diferentes direcciones. Un ejemplo clásico de material anisotrópico es la madera, que es más fuerte en la dirección de la veta, visible como líneas en la madera, que en contra de la veta. En el caso de los electrolitos anisotrópicos, estos materiales podrían ajustar la compleja interacción entre el transporte de iones y la química interfacial, frustrando la acumulación que produce la formación de dendritas. Algunos cristales líquidos y geles muestran estas características deseadas, sugieren los investigadores.

Otro enfoque identificado por el estudio se centra en los separadores de baterías: membranas que evitan que los electrodos en los extremos opuestos de la batería se toquen y produzcan cortocircuitos. Se podrían diseñar nuevos tipos de separadores que presenten poros que hagan que los iones de litio pasen de un lado a otro a través del electrolito de forma anisotrópica.

El equipo espera ver a otros investigadores científicos dar seguimiento a las "pistas" identificadas en su estudio. Esos próximos pasos implicarán la fabricación de dispositivos reales que se basan en nuevas formulaciones experimentales de electrolitos y arquitecturas de baterías, y luego probar cuáles podrían resultar eficaces, escalables y económicos.

"Se dedica una enorme cantidad de investigación al diseño de materiales y la verificación experimental de sistemas complejos de baterías y, en general, marcos matemáticos como el encabezado por Weiyu han estado ausentes en gran medida en este esfuerzo", dijo el coautor Tartakovsky, profesor de ingeniería de recursos energéticos. en Stanford.

A raíz de estos últimos resultados, Tartakovsky y sus colegas están trabajando en la construcción de una representación virtual completa, conocida como "avatar digital", de los sistemas de baterías de metal de litio o DABS.

"Este estudio es un componente clave de DABS, un avatar o réplica digital integral de baterías de litio-metal que se está desarrollando en nuestro laboratorio", dijo Tartakovsky. "Con DABS, continuaremos avanzando en el estado del arte de estos prometedores dispositivos de almacenamiento de energía".

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad de Stanford.