Si las baterías de nuestros coches eléctricos fueses más seguras, durasen más y se recargasen en pocos minutos, la transición energética sería bastante más sencilla. Ese es, en buena parte, el horizonte que abre un nuevo estudio publicado en la revista Nature Materials, donde un equipo internacional demuestra que una capa de plata miles de veces más fina que un cabello puede hacer que un electrolito sólido sea hasta cinco veces más resistente a las grietas, uno de los puntos débiles de las baterías de metal de litio.
Las baterías de metal de litio se consideran la siguiente gran generación tras las de ion litio que usamos hoy en móviles, portátiles y vehículos eléctricos. En teoría almacenan más energía en el mismo volumen, se cargan más rápido y, si usan electrolitos sólidos en lugar de líquidos inflamables, podrían ser más seguras. El problema es que ese electrolito sólido funciona como una cerámica frágil donde el litio puede abrir microgrietas y formar dendritas que acaban provocando cortocircuitos y fallos prematuros, algo especialmente crítico cuando se intenta la carga rápida.
El trabajo se centra en un electrolito cerámico conocido como LLZO, una granada de litio con lantano, circonio y tántalo que conduce bien los iones pero se rompe con facilidad. El equipo aplicó sobre su superficie una película de plata de apenas 3 nanómetros y después recoció el material a unos 300 grados. Durante ese calentamiento la plata se disuelve parcialmente, intercambia posición con átomos de litio y penetra entre 20 y 50 nanómetros en el interior en forma de iones de plata cargados positivamente, Ag+, lo que modifica de manera muy localizada la mecánica de la superficie sin alterar de forma apreciable las propiedades electrónicas del material.
En palabras de la ingeniera Wendy Gu, el electrolito que están mejorando es una cerámica que, a escala diminuta, se parece a «los platos o cuencos de cerámica que tenemos en casa, con pequeñas grietas en la superficie». La idea de recubrirlo es asumir que esas imperfecciones van a existir y reforzar justo la zona donde más sufren. En otras palabras, en vez de exigir una batería perfecta de fábrica, se refuerza la parte que más se estropea en uso real.
Los resultados mecánicos son claros. Usando una punta de ensayo dentro de un microscopio electrónico, el LLZO dopado con plata necesita casi cinco veces más fuerza antes de fracturarse que el material sin tratar. Según el equipo, esta diferencia se debe a un endurecimiento superficial inducido por el dopaje, más que a cambios en la conductividad eléctrica o en cómo el litio moja la superficie.
En otra serie de experimentos, los investigadores siguieron en tiempo real cómo se deposita el litio metálico sobre la superficie del electrolito. En las muestras con dopaje de Ag+ la capa de litio se mantiene estable incluso a densidades de corriente superiores a 250 miliamperios por centímetro cuadrado y bajo presiones locales cercanas a los 3 gigapascales, condiciones extremas que simulan una carga muy rápida. Además, el área recubierta por el litio se expande más de cuatro veces sin que aparezcan grietas profundas, lo que indica una mayor tolerancia a defectos en la cerámica.
¿Qué significa esto en la práctica para quien se plantea un coche eléctrico o un sistema doméstico de almacenamiento fotovoltaico. En gran medida, que estas cerámicas reforzadas podrían resistir mejor los picos de corriente y la presión interna asociados a la carga rápida, evitando que las pequeñas fisuras se conviertan en fallos catastróficos. No es una solución mágica, pero sí una pieza más en el diseño de baterías de estado sólido más robustas y, por tanto, más seguras.
Conviene recordar que todo esto se ha probado todavía en pequeñas muestras de laboratorio, no en baterías comerciales completas. El propio equipo está aplicando ahora el tratamiento a celdas reales de metal de litio para comprobar su comportamiento tras muchos ciclos de carga rápida y uso prolongado, algo esencial si pensamos en años de vida útil y en miles de kilómetros de conducción. También estudian estrategias de aplicación de presión mecánica desde distintos ángulos y métodos para evitar fallos en otros electrolitos sólidos, como los basados en azufre, además de explorar la misma idea en baterías de sodio, que podrían aliviar parte de la presión sobre el litio.
Otro punto relevante para la sostenibilidad es que la plata no es la única opción. El equipo ha probado ya otros metales más baratos como el cobre con resultados alentadores, siempre que los iones sean algo mayores que los de litio que sustituyen en la red cristalina. En el futuro podrían diseñarse recubrimientos a medida para distintas cerámicas, equilibrando coste, rendimiento y huella ambiental de estas baterías de nueva generación.
Si soluciones como esta llegan a industrializarse, las baterías de metal de litio podrían almacenar más energía con menos material, soportar mejor el uso intensivo y hacer más viable la electrificación del transporte y el almacenamiento de renovables como la solar y la eólica cuando no hay sol ni viento. A cambio, todavía falta comprobar su comportamiento en celdas de gran tamaño, su reciclabilidad y el impacto real de introducir nuevos metales en la cadena de suministro. El reloj de la descarbonización corre deprisa, pero la seguridad y la durabilidad de las baterías no pueden quedarse atrás.
El estudio científico se ha publicado en Nature Materials.
