La Universidad de California Los รngeles (UCLA) ha revelado un hallazgo fundamental para producir baterรญas de metal de litio mรกs seguras que superan a las de iones de litio actuales: la verdadera forma del litio.
El litio metรกlico reacciona tan fรกcilmente con los productos quรญmicos que, en condiciones normales, la corrosiรณn se forma casi inmediatamente mientras el metal se deposita sobre una superficie como un electrodo.
La investigaciรณn de la UCLA
Pero los investigadores de la UCLA desarrollaron una tรฉcnica que evita esa corrosiรณn y demostraron que, en su ausencia, los รกtomos de litio se ensamblan en una forma sorprendente: el dodecaedro rรณmbico, una figura de 12 lados similar a los dados que se usan en juegos de rol como Dragones y Mazmorras. La investigaciรณn fue publicada en la revista Nature.
“Hay miles de artรญculos sobre el litio metรกlico, y la mayorรญa de las descripciones de la estructura son cualitativas, como ‘grueso’ o ‘en forma de columna'”, dijo en un comunicado Yuzhang Li, autor correspondiente del estudio, profesor asistente de ingenierรญa quรญmica y biomolecular en la la Escuela de Ingenierรญa Samueli de UCLA y miembro de CNSI.
“Fue sorprendente para nosotros descubrir que cuando evitamos la corrosiรณn de la superficie, en lugar de estas formas mal definidas, vimos un poliedro singular que coincide con las predicciones teรณricas basadas en la estructura cristalina del metal. En รบltima instancia, este estudio nos permite revisar cรณmo entendemos baterรญas de metal de litio”.
A escalas diminutas, una baterรญa de iones de litio almacena รกtomos de litio cargados positivamente en una estructura de carbono en forma de jaula que recubre un electrodo. Por el contrario, una baterรญa de metal de litio recubre el electrodo con litio metรกlico. Eso empaqueta 10 veces mรกs litio en el mismo espacio en comparaciรณn con las baterรญas de iones de litio, lo que explica el aumento tanto en el rendimiento como en el peligro.
Los beneficios de la verdadera forma del litio
El proceso para colocar el revestimiento de litio se basa en una tรฉcnica de mรกs de 200 aรฑos que emplea electricidad y soluciones de sales llamadas electrolitos. A menudo, el litio forma filamentos ramificados microscรณpicos con puntas que sobresalen. En una baterรญa, si dos de esos picos se entrecruzan, puede provocar un cortocircuito que podrรญa provocar una explosiรณn.
La revelaciรณn de la verdadera forma del litio, es decir, en ausencia de corrosiรณn, sugiere que el riesgo de explosiรณn de las baterรญas de metal de litio puede reducirse, porque los รกtomos se acumulan de forma ordenada en lugar de entrecruzarse. El descubrimiento tambiรฉn podrรญa tener implicaciones sustanciales para la tecnologรญa energรฉtica de alto rendimiento.
“Cientรญficos e ingenieros han producido mรกs de dos dรฉcadas de investigaciรณn sobre la sรญntesis de metales como el oro, el platino y la plata en formas como nanocubos, nanoesferas y nanobarras”, dijo Li. “Ahora que conocemos la forma del litio, la pregunta es: ยฟpodemos ajustarlo para que forme cubos, que puedan empaquetarse densamente para aumentar tanto la seguridad como el rendimiento de las baterรญas?”
Hasta ahora, la opiniรณn predominante habรญa sido que la elecciรณn de electrolitos en soluciรณn determina la forma que forma el litio en una superficie, ya sea que la estructura se asemeje a trozos o columnas. Los investigadores de UCLA tenรญan una idea diferente.
“Querรญamos ver si podรญamos depositar litio tan rรกpido que superรกramos la reacciรณn que causa la pelรญcula de corrosiรณn”, dijo el estudiante de doctorado de UCLA Xintong Yuan, el primer autor del estudio. “De esa manera, podrรญamos ver potencialmente cรณmo el litio quiere crecer en ausencia de esa pelรญcula”.
Nueva tecnica
Los investigadores desarrollaron una nueva tรฉcnica para depositar litio mรกs rรกpido que las formas de corrosiรณn. Pasaron corriente a travรฉs de un electrodo mucho mรกs pequeรฑo para expulsar la electricidad mรกs rรกpido, de forma muy similar a la forma en que el bloqueo parcial de la boquilla de una manguera de jardรญn hace que el agua salga disparada con mรกs fuerza.
Sin embargo, se requerรญa un equilibrio, porque acelerar demasiado el proceso conducirรญa a las mismas estructuras puntiagudas que causan los cortocircuitos; el equipo abordรณ ese problema ajustando la forma de su pequeรฑo electrodo.
Colocaron litio en superficies usando cuatro electrolitos diferentes, comparando los resultados entre una tรฉcnica estรกndar y su nuevo mรฉtodo. Con la corrosiรณn, el litio formรณ cuatro formas microscรณpicas distintas. Sin embargo, con su proceso libre de corrosiรณn, encontraron que el litio formaba dodecaedros minรบsculos, no mรกs grandes que 2 millonรฉsimas de metro, o aproximadamente la longitud promedio de una sola bacteria, en los cuatro casos.
Los investigadores pudieron ver la forma del litio gracias a una tรฉcnica de imagen llamada microscopรญa crioelectrรณnica, o crio-EM, que emite electrones a travรฉs de muestras congeladas para mostrar detalles hasta el nivel atรณmico mientras inhibe el daรฑo a las muestras.