El nuevo diseño de metal para baterías de estado sólido permite el funcionamiento a presiones más bajas
Sun Geun Yoon trabaja en una guantera en el laboratorio de McDowell en Georgia Tech. Crédito: Christopher McKenney
Las baterías de iones de litio alimentan todo, desde autos eléctricos hasta computadoras portátiles y sopladores de hojas. A pesar de su adopción generalizada, las baterías de iones de litio tienen cantidades limitadas de energía, y el sobrecalentamiento raro puede conducir a preocupaciones de seguridad. En consecuencia, durante décadas, los investigadores han buscado una batería más confiable.
Las baterías de estado sólido son menos inflamables y pueden contener más energía, pero a menudo requieren una presión intensa para funcionar. Este requisito los ha hecho difíciles de usar en aplicaciones, pero una nueva investigación de Georgia Tech podría cambiar eso.
El Grupo de Investigación de Matthew McDowell, profesor y Carter N. Paden Jr. Distinguido silla en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ha diseñado un nuevo metal para baterías de estado sólido que permite operar a presiones más bajas. Si bien el metal de litio a menudo se usa en estas baterías, el grupo de McDowell descubrió que combinar litio con metal de sodio más suave da como resultado un mejor rendimiento y un comportamiento novedoso.
McDowell y sus colaboradores presentaron sus hallazgos en el documento, “la morfogénesis de la interfaz con una fase secundaria deformable en baterías de litio en estado sólido”, publicada en Science.
Solución apilable
Las baterías de iones de litio han sido el estándar de la industria porque combinan el tamaño compacto, la confiabilidad y la longevidad. Sin embargo, contienen un “electrolito” líquido, que ayuda a los iones de litio a moverse en la batería, pero también es inflamable. En baterías de estado sólido, este electrolito es un material sólido que es menos inflamable. El desafío es que cuando se usa la batería, el metal de litio en la batería cambia su forma, potencialmente perdiendo contacto con el electrolito sólido, lo que degrada el rendimiento. Una forma común de garantizar que el metal no pierda el contacto es aplicar alta presión a estas baterías.
“Una batería de estado sólido generalmente requiere placas de metal para aplicar esta alta presión, y esas placas pueden ser más grandes que la batería misma”, dijo McDowell. “Esto hace que la batería sea demasiado pesada y voluminosa para ser efectiva”.
Los investigadores, dirigidos por el científico de Georgia Tech Research Sun Geun Yoon, buscaron una solución. Las baterías de estado sólido aún requerirían cierta presión para funcionar, pero descubrieron que al usar también un metal más suave, se requiere menos presión. Los investigadores decidieron emparejar el metal de litio comúnmente utilizado con un elemento sorprendente: el sodio.
“Agregar metal de sodio es el avance”, señaló McDowell. “Parece contradictorio porque el sodio no es activo en el sistema de batería, pero es muy suave, lo que ayuda a mejorar el rendimiento del litio”.
¿Qué tan suave puede ser el sodio? En un entorno controlado, una persona podría pegar su dedo enguantado en metal de sodio y dejar una impronta.
De biología a batería
Para comprender el rendimiento mejorado de su batería, los investigadores tomaron prestado un concepto de biología llamado morfogénesis. Este concepto explica cómo evolucionan los tejidos u otras estructuras biológicas en función de los estímulos locales. La morfogénesis rara vez se ve en la ciencia de los materiales, pero los investigadores encontraron que la combinación de litio y sodio se comporta de acuerdo con este concepto.
El grupo de investigación de McDowell ha estado trabajando en la aplicación de la morfogénesis a los materiales de la batería como parte de un proyecto en colaboración con varias otras universidades. Su batería se encuentra entre las primeras demostraciones viables de este concepto, efectivamente, el sodio se deforma fácilmente en las bajas presiones necesarias para que funcionen las baterías de estado sólido.
Batería
Las posibilidades de una batería de estado sólido viable y más pequeña son enormes. Imagine una batería de teléfono que podría durar mucho más o un vehículo eléctrico que podría conducir 500 millas entre las cargas. Con esto en mente, McDowell y su equipo han solicitado una patente para este sistema de batería.
Si bien las baterías de estado sólido aún tienen algún camino por recorrer antes del uso comercial, resultados como estos podrían significar que las baterías de estado sólido pueden competir con iones de litio. El laboratorio de McDowell continúa experimentando con otros materiales para mejorar aún más el rendimiento.
Más información: Sun Geun Yoon et al, morfogénesis de la interfaz con una fase secundaria deformable en baterías de litio en estado sólido, ciencia (2025). Doi: 10.1126/science.adt5229
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Georgia
Cita: el nuevo diseño de metal para baterías de estado sólido permite operar a presiones más bajas (2025, 9 de junio) Recuperado el 9 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06-metal-solid-state-batteries-enables.html
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