Investigadores de Harvard han desarrollado una nueva batería de metal de litio que puede cargarse y descargarse al menos 6.000 veces y puede recargarse en cuestión de minutos – EcoInventos

Informe sobre la batería de metal de litio de estado sólido

Introducción

Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado una nueva batería de metal de litio que puede cargarse y descargarse al menos 6.000 veces, superando a cualquier otra batería en formato de celda tipo pouch, y puede recargarse en cuestión de minutos. Este avance no solo describe un método innovador para fabricar baterías de estado sólido con un ánodo de metal de litio, sino que también proporciona un entendimiento más profundo sobre los materiales usados en estas potenciales baterías revolucionarias. La investigación ha sido publicada en Nature Materials.

Ventajas de las baterías con ánodo de metal de litio

Las baterías con ánodo de metal de litio representan un importante avance en el almacenamiento de energía, especialmente para aplicaciones industriales y comerciales. Según Xin Li, profesor asociado de Ciencias de Materiales en SEAS y autor principal del estudio, estas baterías tienen una capacidad diez veces mayor que los ánodos de grafito comerciales, lo que podría incrementar considerablemente la autonomía de los vehículos eléctricos. Además, esta tecnología podría ser clave en el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía más sostenibles y eficientes, reduciendo la dependencia de combustibles fósiles y favoreciendo la transición hacia energías renovables.

El problema de los dendritas y su solución

Uno de los mayores desafíos en el diseño de estas baterías es la formación de dendritas, estructuras que crecen en el ánodo y pueden perforar la barrera que separa el ánodo del cátodo, provocando cortocircuitos y posibles incendios. Estos dendritas se forman cuando los iones de litio se desplazan hacia el ánodo durante la carga, adheriéndose a su superficie en un proceso llamado «plaqueo». Este proceso crea una superficie irregular y facilita el crecimiento de dendritas, lo que compromete la seguridad y durabilidad de la batería.

En 2021, Li y su equipo propusieron una solución mediante el diseño de una batería multicapa que intercalaba materiales de diferentes estabilidades entre el ánodo y el cátodo, logrando contener la propagación de los dendritas en lugar de eliminarlos por completo. En su investigación más reciente, los investigadores lograron impedir la formación de dendritas utilizando partículas de silicio de tamaño micrométrico en el ánodo, lo que permite una deposición uniforme del metal de litio.

Diseño innovador con partículas de silicio

Este diseño se basa en la reacción de litiación controlada en la superficie del ánodo. Al cargar la batería, los iones de litio se mueven hacia el ánodo, pero en lugar de penetrar profundamente, se limitan a la superficie de las partículas de silicio. De esta manera, se evita la destrucción de las partículas de silicio, un problema común en las baterías de ion de litio líquidas. En este sistema de estado sólido, el litio se deposita en la superficie de las partículas, formando una capa uniforme de metal alrededor del núcleo de silicio, un proceso descrito por Li como un «recubrimiento de chocolate alrededor de un núcleo de avellana«.

Este diseño homogéneo permite una distribución uniforme de la densidad de corriente, evitando el crecimiento de dendritas y permitiendo una recarga rápida de la batería, en solo 10 minutos. Además, las pruebas demostraron que la batería mantenía el 80 % de su capacidad después de 6.000 ciclos de carga y descarga, superando el rendimiento de otras baterías en formato pouch disponibles en el mercado.

Escalabilidad y potencial comercial

La tecnología desarrollada ha sido licenciada a Adden Energy, una empresa derivada de Harvard cofundada por Li y tres exalumnos. Adden Energy ha logrado escalar esta tecnología, construyendo una celda de batería de tamaño similar al de un teléfono inteligente. Esta batería tiene aplicaciones potenciales en el mercado de los dispositivos electrónicos y en el sector de la movilidad eléctrica, abriendo posibilidades para una producción masiva y el desarrollo de baterías más seguras y duraderas.

Búsqueda de nuevos materiales para baterías de estado sólido

Además de probar el silicio, el equipo de Li ha caracterizado propiedades clave que permiten a este material facilitar una deposición uniforme de litio, lo cual favorece una superficie homogénea y evita la formación de dendritas. Los investigadores definieron un descriptor único de propiedades que describe este proceso, calculándolo para todos los materiales inorgánicos conocidos. Esto ha llevado al descubrimiento de docenas de materiales adicionales que podrían proporcionar un rendimiento similar.

Li destaca que materiales como la plata también pueden ser buenos candidatos para el ánodo de baterías de estado sólido. Este avance proporciona un marco para identificar nuevos materiales para el diseño de baterías, lo cual podría revolucionar el sector de las energías renovables y el almacenamiento de energía.

Implicaciones ambientales y futuro de las baterías de estado sólido

Este avance en la tecnología de baterías de estado sólido podría tener un impacto significativo en la sostenibilidad energética. Al extender la vida útil de las baterías y mejorar su seguridad, estas innovaciones contribuyen a reducir los residuos electrónicos y la demanda de materiales de difícil extracción como el cobalto. Además, las baterías de estado sólido ofrecen una mayor eficiencia energética y son menos propensas a fugas y reacciones químicas peligrosas que las baterías de ion de litio convencionales.

En el contexto actual, donde la demanda de vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos sigue en aumento, el desarrollo de baterías más eficientes y duraderas es crucial para alcanzar objetivos globales de reducción de emisiones. Los esfuerzos de Harvard y otras instituciones en este campo no solo impulsan la tecnología de baterías, sino que también promueven un futuro más ecológico y sostenible.

La innovación desarrollada por los investigadores de Harvard representa un paso fundamental hacia baterías más seguras, eficientes y sostenibles. Con aplicaciones potenciales en la industria de vehículos eléctricos y en el almacenamiento de energía renovable, las baterías de estado sólido con ánodos de metal de litio prometen transformar el panorama energético global, ofreciendo soluciones que podrían facilitar la transición hacia un futuro sin emisiones de carbono y reducir la dependencia de los recursos no renovables.

Vía harvard.edu

1. ¿Qué Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) se abordan o están conectados con los temas destacados en el artículo?

• Objetivo de Desarrollo Sostenible 7: Energía asequible y no contaminante
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 9: Industria, innovación e infraestructura
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 11: Ciudades y comunidades sostenibles
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 12: Producción y consumo responsables
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 13: Acción por el clima
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 15: Vida de ecosistemas terrestres

2. ¿Qué metas específicas de los ODS se pueden identificar en función del contenido del artículo?

• Objetivo de Desarrollo Sostenible 7.2: Aumentar la proporción de energía renovable en el consumo final de energía
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 9.4: Actualizar la infraestructura y reconvertir las industrias para que sean sostenibles
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 11.6: Reducir el impacto ambiental negativo per capita de las ciudades
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 12.2: Lograr la gestión sostenible y el uso eficiente de los recursos naturales
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 13.2: Integrar medidas de cambio climático en las políticas, estrategias y planes nacionales
• Objetivo de Desarrollo Sostenible 15.2: Promover la implementación de prácticas de gestión sostenible de los bosques

3. ¿Hay algún indicador de los ODS mencionado o implícito en el artículo que pueda usarse para medir el progreso hacia los objetivos identificados?

Sí, el artículo menciona varios indicadores relevantes para medir el progreso hacia los objetivos identificados, como:

• Capacidad de las baterías de metal de litio para cargarse y descargarse al menos 6.000 veces, lo que contribuye al objetivo de energía asequible y no contaminante (ODS 7.2).
• Incremento de la capacidad de las baterías con ánodo de metal de litio en comparación con los ánodos de grafito comerciales, lo que puede aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos y promover la industria de vehículos eléctricos sostenibles (ODS 9.4).
• Reducción de la formación de dendritas en las baterías de metal de litio, lo que mejora la seguridad y durabilidad de las baterías y reduce el impacto ambiental negativo per capita de las ciudades (ODS 11.6).
• Uso eficiente de los recursos naturales al evitar la destrucción de las partículas de silicio en las baterías de estado sólido (ODS 12.2).
• Contribución a la mitigación del cambio climático al promover el desarrollo de baterías más eficientes y duraderas y reducir la dependencia de los recursos no renovables (ODS 13.2).
• Promoción de prácticas de gestión sostenible de los bosques al reducir la demanda de materiales de difícil extracción como el cobalto en las baterías (ODS 15.2).

4. Tabla de ODS, metas e indicadores:

Fuente: ecoinventos.com