Llevamos casi tres décadas usando baterías recargables de iones de litio. Hoy son imprescindibles en teléfonos móviles o coches eléctricos, pero lo cierto es que nadie sabía muy bien cómo funcionaban. Tras todo este tiempo asumiendo como ciertas algunas teorías, un equipo del Instituto Stanford de SLAC para Materiales ha descubierto que lo estábamos haciendo mal. Un error en la idea en que se creía que se movían las moléculas en su interior hace que su vida útil se acorte.

Para empezar, porque se creía que eran más simples de lo que en realidad son. Hasta ahora era casi imposible ver a los átomos moviéndose en su interior en pleno funcionamiento. Pero gracias a experimentos con rayos X en Berkeley, se ha visto que funcionan como «palomitas de maíz», en palabras de los investigadores.

«Antes, era como una caja negra», señala Martin Bazant, profesor del MIT, uno de los autores del estudio. «Se podía ver que el material funcionaba bastante bien y ciertos aditivos parecían ayudar, pero no se podía decir exactamente dónde se encontraban los iones de litio en cada paso del proceso. Sólo se podía tratar de desarrollar una teoría y reconstruir el proceso a partir de las mediciones. Con nuevos instrumentos y técnicas, comenzamos a tener una comprensión científica más rigurosa de cómo funcionan realmente estas cosas».

El ‘efecto de palomitas de maíz’

Cualquiera que haya viajado en un coche eléctrico, haya trabajado con una herramienta eléctrica o usado una aspiradora sin cable probablemente haya visto los beneficios del material de la batería que estudiaron: el fosfato de hierro y litio. Cuando las baterías de iones de litio se cargan y descargan, los iones (átomos cargados)  fluyen desde una solución líquida a un depósito sólido. Pero una vez que se encuentra en el sólido, el litio puede reordenarse a sí mismo, lo que a veces hace que el material se divida en dos fases distintas, de forma similar a como el aceite y el agua se separan cuando se mezclan. Esto causa lo que  llaman un «efecto de palomitas de maíz». Los iones se apelotonan en puntos calientes que terminan acortando la vida útil de la batería.

Batería en un coche eléctrico

Batería de iones de litio en un coche eléctrico BMW

En este estudio, los investigadores utilizaron dos técnicas de rayos X para explorar el funcionamiento interno de las baterías de iones de litio. En el Sicrotrón de Standford (SSRL) de SLAC captaron los rayos X de una muestra de fosfato de hierro y litio para revelar su estructura atómica y electrónica, lo que les dio una idea de cómo se movían los iones de litio en el material. En la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, usaron microscopía de rayos X para ampliar el proceso, permitiéndoles hacer un mapa de cómo la concentración de litio cambia con el tiempo.

Es como tirar una hoja en la superficie de un río y descubrir que el agua fluye en una dirección diferente a la que lo hace un salmón remontando

Mientras revisaban sus datos, los investigadores notaron que el litio se movía en una dirección completamente diferente en la superficie del material de lo que uno esperaría según los modelos anteriores. Era como si alguien hubiera tirado una hoja en la superficie de un río y descubriera que el agua fluía en una dirección completamente diferente a la que lo hace un salmón remontando.

Trabajaron con Saiful Islam, un profesor de química en la Universidad de Bath, Reino Unido, para desarrollar modelos de ordenador y simulaciones del sistema. Revelaron que los iones de litio se movieron en dos direcciones adicionales en la superficie del material, lo que hace que el fosfato de hierro y litio sea un conductor tridimensional. «Como resultado, estas vías adicionales son problemáticas para el material, dando un comportamiento parecido a las palomitas de maíz , lo que hace fallar a las baterías», dijo Chueh. «Si se puede hacer que el litio se mueva más lentamente en la superficie, la batería será mucho más uniforme. Esta es la clave para desarrollar un mayor rendimiento y baterías de mayor duración».

A pesar de que el fosfato de hierro y litio ha existido durante las últimas dos décadas, la capacidad de estudiarlo a nanoescala y durante la operación de la batería no fue posible hasta hace apenas un par de años.»Esto explica cómo una propiedad tan crucial del material ha pasado desapercibida durante tanto tiempo», dijo Yiyang Li, quien dirigió el trabajo experimental . «Con las nuevas tecnologías, siempre hay propiedades nuevas e interesantes que descubrir sobre los materiales que te hacen pensar de manera un poco diferente».