Nueva tecnología impide explosiones y extiende la vida útil de las baterías de litio de alta energía

Científicos coreanos han desarrollado una nueva tecnología de capa protectora híbrida que previene las explosiones en baterías de litio de alta energía y extiende significativamente su vida útil, logrando una retención de capacidad del 81.5% después de 100 ciclos de carga y descarga en condiciones exigentes.

La investigación liderada por Junyoung Choi y publicada en Energy Storage Materials presenta un método de impresión por transferencia escalable para fabricar capas protectoras sobre ánodos de litio metálico ultradelgados.

Las baterías de litio metálico prometen densidades de energía excepcionales con una capacidad teórica de 3,860 mAh/g, muy superior a los 372 mAh/g de los ánodos de grafito convencionales utilizados actualmente en dispositivos electrónicos.

Sin embargo, el litio metálico presenta problemas críticos de seguridad debido a la formación de dendritas, estructuras similares a agujas que crecen durante la carga.

Estas dendritas se forman cuando el litio se deposita de manera desigual en la superficie del ánodo, pudiendo perforar el separador interno y causar cortocircuitos que resultan en sobrecalentamiento, incendios y explosiones. El problema se agrava especialmente en baterías de alta densidad energética que utilizan ánodos de litio ultradelgados esenciales para aplicaciones comerciales.

La solución desarrollada combina materiales cerámicos y poliméricos en una capa protectora híbrida que integra rigidez mecánica con conductividad iónica eficiente.

La capa está compuesta por una matriz de polímero semi-interpenetrante formada por Bisphenol A etoxilado y éter dimetílico de polietilenglicol, reforzada con partículas cerámicas de Al-LLZO que proporcionan alta conductividad de iones litio y robustez estructural bajo condiciones de alto voltaje.

El método de impresión por transferencia representa una innovación clave al evitar el contacto directo entre el litio reactivo y los solventes durante la fabricación.

Esta técnica involucra fundir y reticular una película protectora composite sobre un sustrato de aluminio inerte, seguido de laminación y transferencia asistida por presión sobre el litio metálico usando un proceso de prensado con rodillos. Esto elimina los problemas de exposición a humedad y especies reactivas presentes en métodos tradicionales de recubrimiento por inmersión o centrifugado.

Las pruebas electroquímicas demostraron que la capa protectora permite excelente rendimiento de ciclado en celdas NCM811/Li con densidad de 1.84 mAh/cm².

Los investigadores validaron la escalabilidad del proceso fabricando películas uniformes de gran área de 200 mm × 45 mm usando el proceso de impresión por transferencia, demostrando la viabilidad para producción comercial a gran escala.

En celdas tipo pouch con alta carga areal de 3.32 mAh/cm², el ánodo de litio metálico protegido exhibió más del doble de estabilidad comparado con litio sin protección.

El análisis post-mortem confirmó depósito denso de litio junto con formación de una interfase sólido-electrolito que exhibe baja resistencia, indicando un funcionamiento eficiente y estable del sistema.

La estructura ingenierizada permanece morfológicamente estable en electrolitos líquidos sin hinchamiento o deslaminación, promoviendo flujo uniforme de iones litio y suprimiendo crecimiento dendrítico.

Esto contrasta marcadamente con recubrimientos convencionales aplicados por inmersión o centrifugado que sufren degradación en presencia de electrolitos carbónicos utilizados en baterías comerciales de alto voltaje.

Los resultados muestran que la tecnología mantiene estabilidad estructural y química bajo condiciones dinámicas como ciclado de alta velocidad o grandes cambios volumétricos del electrodo que ocurren durante operación normal.

Las implicaciones comerciales son significativas, ya que esta tecnología aborda uno de los principales obstáculos para la adopción masiva de baterías de litio metálico en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía renovable.

Los investigadores también demostraron la aplicabilidad práctica fabricando celdas pouch de gran formato que mantienen rendimiento superior bajo condiciones de electrolito limitado, simulando condiciones reales de operación comercial.