Un equipo de investigadores del MIT y la Universidad Técnica de Múnich ha identificado exactamente cómo se forman las dendritas que destruyen las baterías de estado sólido y ha encontrado una forma de detenerlas, según un estudio publicado en la revista Nature Nanotechnology.

Las dendritas de las baterías de estado sólido son causadas por desequilibrios eléctricos ocultos en los límites donde se encuentran los granos del material electrolítico, según la investigación. Estos desequilibrios interrumpen la conducción de carga al bloquear los iones de litio y atrapar electrones que se filtran.

El equipo minimizó exitosamente estas trampas eléctricas ajustando el procesamiento del electrolito, reduciendo así la fuga de electrones. Este ajuste aumentó la densidad de corriente del material en más del 300%, un salto que podría permitir baterías de estado sólido de carga más rápida y mayor duración, según los investigadores.

"Los límites de grano son como el clima: todos hablan de ello, pero nadie hace nada al respecto", dijo Harry Tuller, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT y autor principal del estudio. "En este artículo, hemos decidido hacer algo sobre los límites de grano, y al hacer algo, hemos demostrado un rendimiento mejorado y la importancia de los límites de grano de manera más amplia", añadió.

**Desequilibrios eléctricos ocultos**

Las baterías de estado sólido prometen una revolución de energía limpia al reemplazar el electrolito líquido de las baterías de iones de litio con un electrolito sólido cerámico o plástico, según los investigadores.

Sin embargo, la adopción práctica está estancada por cortocircuitos causados por dendritas, que son picos microscópicos de metal de litio que perforan el núcleo sólido como maleza que agrieta el concreto, según el estudio.

Los electrolitos de estado sólido están compuestos por miles de millones de cristales individuales de tamaño micrométrico, o granos, densamente empaquetados, que están separados entre sí por límites de grano microscópicos. Durante mucho tiempo se ha sospechado que estos límites poseen propiedades químicas y eléctricas distintas que bloquean iones, filtran electrones y desencadenan dendritas que causan cortocircuitos. Pero los mecanismos exactos que impulsan esta interacción destructiva permanecían completamente desconocidos, según los investigadores.

"Los límites de grano son como defectos", dijo Tuller. "Los límites tienen un nivel más alto de defectos que los granos mismos, y generalmente eso significa que cuando los portadores de carga se acercan al límite, ya sean electrones o iones, hay algún tipo de bloqueo que superar", explicó.

En este nuevo trabajo, la interferencia fue decodificada modelando cómo los desequilibrios eléctricos locales en los límites de grano interrumpen el movimiento de carga. Además, se probó en un material electrolítico sólido, circonato de lantano y litio (LLZO), utilizando microscopía electrónica, aprendizaje automático y espectroscopia avanzada, según el estudio.

Los resultados muestran que los núcleos de los límites llevan una carga eléctrica local que bloquea los iones de litio mientras atrapa electrones. Esta acumulación de electrones reduce la carga en los iones de litio cercanos, forzándolos directamente a solidificarse en dendritas metálicas que destruyen la batería, según los hallazgos.

**Carga ultrarrápida en el futuro**

Utilizando estos conocimientos, los investigadores ajustaron las condiciones de procesamiento del electrolito LLZO para minimizar las cargas negativas en los límites de grano. El electrolito diseñado permitió que los iones de litio pasaran sin esfuerzo mientras bloqueaba la fuga de electrones, según el estudio.

La solución funcionó perfectamente. El nuevo material toleró una densidad de corriente crítica 300% más alta que la de las muestras estándar sin formación de dendritas, según los resultados.

Para el consumidor cotidiano, ese aumento del 300% se traduce directamente en velocidad y vida útil. Significa una batería que puede manejar el enorme aumento de corriente requerido para la carga ultrarrápida, una y otra vez, sin descomponerse, según los investigadores.

**Implicaciones para la industria energética**

El descubrimiento representa un avance significativo en la búsqueda de baterías de estado sólido comercialmente viables, una tecnología que ha sido considerada durante mucho tiempo como el futuro del almacenamiento de energía pero que ha enfrentado obstáculos técnicos persistentes.

Las baterías de estado sólido ofrecen ventajas teóricas sobre las baterías de iones de litio convencionales, incluyendo mayor densidad de energía, mayor seguridad al eliminar electrolitos líquidos inflamables y potencialmente mayor vida útil. Sin embargo, el problema de las dendritas ha impedido su producción masiva.

El método desarrollado por el equipo del MIT y TUM para controlar los límites de grano en el material electrolítico podría allanar el camino para la fabricación a escala industrial de estas baterías. La capacidad de aumentar la densidad de corriente en más del 300% significa que las baterías podrían cargarse mucho más rápido sin el riesgo de formación de dendritas y el consiguiente fallo de la batería.

Este avance podría tener aplicaciones en vehículos eléctricos, donde la velocidad de carga es un factor crítico para la adopción del consumidor, así como en dispositivos electrónicos portátiles y sistemas de almacenamiento de energía a gran escala para redes eléctricas que integran fuentes de energía renovable intermitentes.

Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Nanotechnology, una de las principales publicaciones científicas en el campo de la nanotecnología, lo que subraya la importancia del descubrimiento para la comunidad científica internacional.