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Las baterÃas de estado sólido son la solución real en el almacenamiento eléctrico que nos espera en el futuro. Un grupo de investigadores pertenecientes al Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de EnergÃa (DOE) ha descubierto un compuesto fundamental para hacer viable esta tecnologÃa a gran escala. Por su parte, el óxido de magnesio es la solución más prometedora como capa diseñada para ser usada como recubrimiento muy eficaz para los electrolitos sólidos de sulfuro. De alguna forma, con este hallazgo se podrÃan solventar problemas históricos de degradación e insuficiencia quÃmica con las celdas de última generación.
La problemática de los electrolitos y la fragilidad quÃmica
Las arquitecturas de tipo estado sólido exhiben un nivel inmenso de apilamiento de la electricidad. Los componentes internos confrontan condiciones fÃsicas muy arduas en el modo de funcionamiento continuo. Los electrolitos sólidos que son más apropiados para estas tareas son también muy frágiles en el ámbito quÃmico.
El material experimenta cambios muy severos justo en la zona donde produce contactos internos de la celda. Las interfaces se desgastan muy rápidamente cuando el electrolito está en contacto directo con el ánodo del metal de litio. Estas interacciones imprevistas no ayudan a mejorar la explotación y reducen espectacularmente la vida de la celda.
El equipo de cientÃficos de Argonne enfocó los esfuerzos en estudiar un tipo particular de conductor eléctrico sólido muy inestable. Los especialistas investigaron el sulfuro de litio, fósforo y cloro, que es técnicamente conocido por las siglas LPSCl. Los investigadores necesitaban hallar un recubrimiento que supusiera una capa de aislamiento para este compuesto, pero sin anular el transporte de carga hacia el cátodo. Una barrera exactamente efectiva debe tener un grosor de solo un nanómetro. Esta magnitud micrométrica equivale a una pelÃcula cien mil veces más delgada que un cabello humano convencional.
Métodos computacionales y deposición de pelÃculas delgadas
La búsqueda del protector ideal exigió un enfoque analÃtico altamente sofisticado. Los especialistas desestimaron el tradicional método de prueba y error por ser demasiado engorroso en tiempo. El equipo se valió de la teorÃa de los funcionales de la densidad para filtrar computacionalmente una gran variedad de óxidos diversos.
Los buenos cálculos del fÃsico Peter Zapol permitieron predecir el comportamiento de una multitud de sustancias en tres interfaces crÃticas de la baterÃa. La simulación computacional recortó los tiempos de investigación y los cientÃficos fueron capaces de explorar un enorme espacio quÃmico en lapsos de tiempo realmente cortos sin la intervención del laboratorio fÃsico.
Las predicciones computacionales dieron luego el paso a la verificación fÃsica en los laboratorios del centro de investigación. Los técnicos depositaron las coberturas seleccionadas sobre polvo de LPSCl usando la deposición de capas atómicas, proceso que deposita pelÃculas ultradelgadas y completamente uniformes con una precisión casi a nivel atómico.
El éxito del óxido de magnesio y sus propiedades de aislante
El análisis de los resultados siempre estuvo en contradicción y en oposición a ciertas suposiciones que existÃan en la comunidad cientÃfica. Los recubrimientos que en un principio se pensaban menos reactivos fallaron en cuanto a proteger la parte interna. En efecto, el parámetro decisivo es justamente el de los subproductos que se generan durante las propias reacciones, en la interfaz.
El óxido de circonio parecÃa muy estable en sà mismo, terminando como uno de los peores aislantes que habÃa ensayado el grupo de estudio. Los productos de reacción ideales deben permitir que los iones de litio se desplacen con facilidad, mientras que deberÃan impedir totalmente que los electrones libres puedan pasar.
El óxido de magnesio cumplió con todas las expectativas técnicas durante los ensayos a los que estaba sometido en laboratorio. Este producto dotó al electrolito de una estabilidad desconocida, justo cuando se puso en contacto con litio metálico.