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Investigadores de universidades de Corea del Sur POSTECNOLOGÍA, kaist y Universidad Nacional de Gyeongsang desarrolló una batería de litio sin ánodo convencional capaz de lograr densidad de energía volumétrica de 1.270 Wh/Lun valor casi el doble que el de las mejores baterías de iones de litio disponibles en la actualidad, que rondan 650 Wh/L.
El estudio fue publicado como artículo de portada en la revista científica. Materiales avanzados y allana el camino para una nueva generación de baterías que, aplicadas a los smartphones, podrían duplicar la autonomía de los dispositivos sin aumentar el tamaño de la celda.
Cómo funciona una batería convencional
Para comprender qué hace que esta investigación sea relevante, es necesario revisar el funcionamiento básico de una batería.
En los modelos de Iones de Litio que se utilizan hoy en día en los smartphones existen tres componentes fundamentales: el ánodoel cátodo y el electrólito. Durante la carga, las partículas cargadas migran del cátodo al ánodo, donde se almacenan.
Al alimentar el dispositivo, viajan a través del circuito externo de regreso al cátodo, generando la corriente eléctrica que mantiene el dispositivo en funcionamiento.
El ánodo de las baterías actuales está hecho de grafito y ocupa un volumen considerable dentro de la celda. Su presencia limita físicamente la cantidad de material activo que se puede acomodar en un espacio fijo, estableciendo un límite máximo a la densidad de energía.
¿Qué cambia en la batería sin ánodo?
El enfoque desarrollado por el equipo liderado por profesor parque soojin y por Dr. Dong-Yeob Han de POSTECH elimina completamente el ánodo de grafito.
En cambio, los iones de litio almacenados en el cátodo migran durante la carga y se depositan directamente en un colector de corriente de cobreuna fina lámina metálica que asume temporalmente la función de ánodo.
Durante la descarga, este ánodo formado por el depósito de litio se disuelve, liberando las partículas cargadas de nuevo al circuito. El espacio que antes ocupaba el grafito ahora está disponible para almacenar más material activo, lo que explica el importante aumento de densidad energética.
La analogía utilizada por los propios investigadores es directa: es como llenar un tanque del mismo tamaño con más combustible.
“Este trabajo representa un avance relevante al abordar simultáneamente los problemas de eficiencia y vida útil en baterías de metal litio sin ánodo”.
Maestro Parque SoojinPOSTECNOLOGÍA
El problema de las dendritas: el mayor obstáculo de la tecnología
La principal dificultad de este tipo de batería se conoce desde hace décadas y está en el corazón del propio mecanismo.
Sin una estructura huésped como el grafito para guiar el depósito de litio, los iones tienden a acumularse de manera desigual en la superficie del colector de cobre.
Esto favorece la formación de dendritasestructuras en forma de agujas que crecen sobre el metal y pueden perforar el separador interno de la celda, provocando un cortocircuito, una pérdida acelerada de capacidad y, en casos extremos, riesgos para la seguridad.
Además, cada ciclo de carga y descarga daña progresivamente la superficie del litio, reduciendo la eficiencia con el tiempo. Este ciclo de degradación fue el principal impedimento para que las baterías sin ánodo llegaran a productos comerciales.
Cómo el equipo resolvió el problema
La solución desarrollada combina dos innovaciones. El primero es un huésped reversible (RH)una estructura polimérica incrustada con nanopartículas de plata distribuido uniformemente. Estas partículas funcionan como puntos de nucleación predefinidos, guiando al litio para que se deposite en lugares específicos y evitando el crecimiento irregular que conduce a la formación de dendritas.
El segundo es un electrolito diseñado (DEL)formulado para formar una capa protectora estable compuesta de Li₂O y Li₃N en la superficie del metal de litio. Esta capa bloquea la formación de dendritas manteniendo la movilidad de los iones de litio en niveles adecuados para el funcionamiento celular.
Con las dos soluciones trabajando juntas, los resultados registrados fueron:
| Parámetro | Resultado |
|---|---|
| Densidad de energía volumétrica | 1.270 Wh/L |
| Capacidad retenida después de 100 ciclos | 81,9% |
| Eficiencia coulómbica promedio | 99,6% |
| capacidad real | 4,6 mAh cm² |
| Presión de funcionamiento | 20 kPa (bajo) |
Las pruebas se llevaron a cabo en células del tipo bolsaun formato más cercano a aplicaciones reales en vehículos y dispositivos portátiles que las células de laboratorio convencionales.
¿Cuándo llegará esto a los teléfonos inteligentes?
La tecnología aún está en fase de desarrollo. prototipo. Expertos en la materia estiman que falta al menos cinco años para que las baterías sin ánodo entren en producción a escala industrial, e incluso este plazo es considerado optimista por la comunidad científica.
EL Panasonic anunció planes para sacar al mercado células sin ánodo a finales de 2027, pero con una densidad energética inferior a los resultados surcoreanos, entre 800 y 1.000 Wh/L. El estudio de POSTECH y KAIST, por su parte, representa el récord más alto jamás documentado en celdas tipo bolsa, formato considerado compatible con la integración en productos reales.
Un punto que favorece la escalabilidad de la investigación es que el electrolito desarrollado utiliza disolventes disponibles comercialmentelo que reduce las barreras de producción en comparación con experimentos anteriores que se basaban en materiales exóticos o difíciles de sintetizar.
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Entre el laboratorio y el bolsillo
El resultado de 1.270 Wh/L plazas esta investigación a un nivel diferente dentro de un campo que ha ido acumulando avances incrementales durante años. Todavía existe una brecha considerable entre mantener el rendimiento durante 100 ciclos, como se demuestra aquí, y el 500 a 1.000 ciclos que la industria exige a los productos comerciales.
Pero la combinación de un host reversible con un electrolito diseñado aborda los dos problemas centrales de la tecnología juntos por primera vez y con materiales que ya existen en el mercado, lo que cambia la naturaleza de la conversación sobre qCuando las baterías sin ánodo saldrán del laboratorio.
Fuentes): Materiales avanzados y EurekAlert/POSTECH
