Las baterías de estado sólido son una de las grandes esperanzas para los coches eléctricos y para almacenar la energía de las renovables sin riesgos de fuga o incendio. Más densidad de energía, más seguridad y, en teoría, cargas más rápidas. Entonces, ¿por qué todavía no las vemos por todas partes ni cargan tan deprisa como nos gustaría cuando miramos la factura de la luz o pensamos en un viaje largo en coche eléctrico?
Un equipo del Instituto Max Planck de Investigación en Polímeros, junto con varias universidades de Japón, acaba de poner nombre y tamaño a uno de los culpables. Han logrado observar en funcionamiento una capa de carga espacial en el interior de una batería de estado sólido de litio. Es un «tapón» de iones que se forma en la frontera entre el electrolito sólido y el electrodo positivo. Mide menos de 50 nanómetros, unas mil veces más fino que un cabello humano, pero puede sumar hasta un 90 por ciento de la resistencia en esa interfaz concreta.
La buena noticia es que los investigadores también han medido cuánto importa ese tapón en el conjunto de la batería. En la celda modelo que han estudiado, la resistencia extra de esta capa se queda por debajo de un 7 por ciento de la resistencia del propio electrolito sólido de fosfato de litio, que tiene unas pocas micras de grosor. Es decir, el gran freno sigue estando en el «cuerpo» del material sólido, no solo en la fina piel donde toca el electrodo.
Un atasco de iones del tamaño de una burbuja de jabón
«Una batería es una especie de bomba» explica Rüdiger Berger, uno de los autores del trabajo. En el interior se mueven iones de litio a través del electrolito mientras los electrones circulan por el circuito externo. Cuando esos iones llegan a la interfaz entre el electrolito sólido y el electrodo, pueden acumularse y crear un pequeño embotellamiento eléctrico.
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En la batería modelo que han usado los científicos, formada por litio metálico, un electrolito sólido de fosfato de litio y un electrodo positivo de óxido de litio y cobalto, ese atasco se concentra en la zona del electrodo positivo. Allí se forma una capa de carga espacial con un grosor inferior a 50 nanómetros. Los investigadores calculan que esta capa añade entre 18 y 19 ohmios centímetro cuadrado de resistencia cuando la batería trabaja en torno a 4,3 voltios. No es una cifra enorme si se mira toda la celda, pero sí se convierte en la parte principal de la resistencia en la frontera entre materiales. Y eso se nota.
Además, el equipo ha visto que esta capa no es fija. Cambia con el estado de carga. A medida que se carga la batería, los iones de litio se redistribuyen. Se acumulan en el lado del electrodo positivo y se vacían parcialmente en el lado del electrolito, lo que refuerza el campo eléctrico interno en esa frontera. En la práctica, esto significa que el «tapón» se hace más importante justo cuando exigimos más voltaje y más energía a la batería.
Cómo han mirado dentro de una batería sólida en marcha
Hasta ahora, los cálculos y las medidas indirectas daban resultados muy contradictorios sobre el grosor y el efecto de esta capa. Algunos trabajos hablaban de capas de más de un micrómetro, mucho más gruesas de lo que permiten las teorías clásicas. Otros sugerían que su impacto real era pequeño en interfaces bien fabricadas.
Para salir de dudas, el equipo ha construido una batería de película delgada extremadamente ordenada y la ha sometido a dos técnicas que rara vez se habían aplicado juntas en este campo. Por un lado, una variante de microscopía de fuerza Kelvin, que permite mapear el potencial eléctrico punto por punto en el corte pulido de la batería mientras está funcionando. Por otro lado, un análisis de reacciones nucleares que detecta directamente dónde se acumulan los átomos de litio a distintas profundidades.
«Ambas técnicas son nuevas en investigación de baterías y también se podrán usar en otras cuestiones en el futuro» señala Taro Hitosugi, de la Universidad de Tokio. Gracias a esta combinación, han podido localizar la capa de carga espacial, seguir cómo crece con el voltaje y separar su contribución de la de otros efectos en la interfaz.
Qué significa esto para la movilidad eléctrica y las renovables
Para quien se plantea un coche eléctrico o instalar placas solares con baterías en casa, la pregunta lógica es sencilla. ¿Servirá esto para que las baterías de estado sólido sean más rápidas y fiables?
Este trabajo no es una nueva batería comercial, ni promete cargas en cinco minutos. Lo que aporta es algo menos vistoso pero clave para la ingeniería. Pone cifras a un fenómeno que hasta ahora se veía de forma borrosa. Confirma que, en interfaces limpias y bien construidas, la capa de carga espacial añade una resistencia de varias decenas de ohmios centímetro cuadrado y que esa resistencia crece con el voltaje, pero también que el material del electrolito sólido sigue siendo el factor dominante en el rendimiento global.
En buena medida, esto guía dónde hay que poner el esfuerzo si queremos baterías más ecológicas y eficientes. Por un lado, en electrolitos sólidos con más conductividad iónica para reducir la resistencia del «bloque» central. Por otro lado, en interfaces cuidadosamente diseñadas que eviten reacciones indeseadas y, quizá, en capas intermedias muy finas que creen un campo eléctrico opuesto y compensen parte de esa carga acumulada, tal y como sugieren los autores.
Todo ello apunta a baterías de estado sólido más seguras para vehículos eléctricos y para almacenamiento estacionario, capaces de trabajar a voltajes algo más altos sin castigar tanto la vida útil ni convertir el interior en un cuello de botella invisible. No es poca cosa.
Lo que queda por explorar
El propio equipo reconoce que todavía faltan piezas en el puzle. Han estudiado una batería idealizada, con capas planas y sin las partículas y poros típicos de un electrodo comercial. En baterías reales, con materiales sulfurosos más reactivos, temperaturas variables y ciclos de carga rápida, la evolución de estas capas de carga podría ser distinta.
La ventaja es que ahora existen herramientas operando que permiten ver qué ocurre dentro sin destruir la celda. Aplicarlas a otros materiales y condiciones será clave para que las futuras baterías de estado sólido que alimenten la movilidad eléctrica y apoyen la integración de renovables en la red sean no solo más seguras, sino también más rápidas y duraderas.
El estudio completo ha sido publicado en la revista científica ACS Nano.
