Las Pilas De Estado Sólido | Entrevista Con Helena Braga

Publicada originalmente en Naukas aquí.

Recientemente, las baterías de estado sólido han aparecido en las noticias científicas. Las baterías recargables de litio suelen emplear un separador físico y emplean electrólito líquido, lo cual incrementa la probabilidad de que las pilas desarrollen dendritas, unas estructuras con forma de agujas hechas de deposiciones de litio que eventualmente pueden perforar el separador y crear un cortocircuito en el sistema. Los electrólitos sólidos pueden evitar este problema y los fundamentos principales están cubiertos en este vídeo, propiciados por el reto de Rubén Lijó para la promoción del Ciencia Clip Challenge.

El vídeo está en inglés, pero podéis activar los subtítulos en español (¡o en inglés!).


Todos los vídeos de Draw Curiosity están subtitulados en español e inglés. Este blog extiende los conceptos presentados en el vídeo.

Tuve el privilegio de realizar una entrevista extendida con Helena Braga, la investigadora principal que encabeza el proyecto de las baterías de estado sólido (enlace al artículo científico aquí). Le hice muchas preguntas acerca de la tecnología detrás de estas pilas, y también qué la inspiró a perseguir una carrera como pionera de laciencia de la baterías.

Nota: Esta entrevista ha sido traducida desde el inglés

Inés Dawson: ¿Qué son las baterías de ‘cristal’, o de estado sólido?

Helena Braga: Antes de explicar qué son, deberíamos empezar por cómo funciona una pila. Una pila está compuesta de dos electrodos, uno positivo (cátodo) y uno negativo (ánodo), y a medida que pierden carga, los electrones pasan del negativo al positivo a través de un circuito externo. Los iones pasan por el electrólito que separa los dos electrodos. La verdad es que es parecida a un sándwich!

El electrólito forma el camino para los iones. Con un electrólito líquido se requiere un separador para prevenir la ocurrencia de cortocircuitos, pero con uno de cristal no es necesario porque el sólido en sí los separa. El cristal también permite que la deposición de litio sea homogénea, mientras que un electrólito líquido puede provocar que se formen centros de nucleación, haciendo que el litio se deposite en tres dimensiones. Las deposiciones de litio crecen formando unas estructuras parecidas a las de una espada llamadas dendritas, que pueden penetrar el separador y producir un cortocircuito. Este es el mecanismo que provoca las explosiones de dispositivos como móviles y portátiles que han aparecido en las noticias. Si tienes un crecimiento homogéneo de litio, no se va a formar ninguna dendrita, por lo que no habrá cortocircuitos dentro de la pila. El cristal también tiene una ventana electroquímica amplia, lo cual hace que rinda bien con todos los pares de electrodos sin oxidarse, y no promocionará reacciones internas dentro de la pila que podrían conducir a una explosión.

I.D.: Cuando la gente lee “cristal”, suele pensar en algo frágil. ¿Estas pilas son susceptibles de romperse si se caen al suelo? ¿Podrían ser peligrosas de alguna otra manera?

H.B: El término cristal puede ser algo confuso, porque no nos estamos refiriendo al cristal de una ventana. Es un polvo que se encuentra entre un sólido y un líquido viscoso. Este cristal se aplica a una matriz, el cual es un papel muy fino. En nuestro caso usamos papel reciclable, el cual forma una fibra de cristal muy flexible que no se romperá al caer.

I.D.: ¿Cuánta gente se necesita para desarrollar una pila de cristal?

H.B.: ¡No somos un equipo tan grande como podrías esperarte! En Portugal empezamos siendo solo dos trabajando en el electrólito. La otra persona era Verena Stockhausen, pero en ese momento no teníamos la suficiente financiación, y ella tuvo que dejar el proyecto antes de publicar el primer paper. Jorge Amaral siempre ha trabajado conmigo, y sigue trabajando en Portugal, y hace poco tuvimos una colega nueva, Joanna, y un estudiante de doctorado. Así que somos tres en Portugal, y dos trabajando con Goodenough en Texas. Él fue un contribuidor esencial, pero no estaba en el laboratorio como podéis imaginar. A mí me encanta el laboratorio, ¡siempre estoy siguiendo los experimentos!

I.D.:  ¿Cuándo veremos estas pilas en circulación?

H.B.: Eso no depende de nosotros. Nosotros hacemos la investigación y creamos las pequeñas células con 9mg de litio – son pilas de tipo botón muy pequeñas, y no son las dimensiones adecuadas para la batería de un coche o para un portátil. Ese desarrollo dependerá de la industria. Lo que sí podemos decir es que pensamos que será sencillo realizar ese aumento de escala, ya que los metales no son difíciles de implementar en los montajes ya existentes.

I.D.: Mi doctorado trata del estudio del vuelo de los insectos, y como esos resultados puede influir en el desarrollo de la tecnología de micro- y nano- drones futuros, siempre estoy interesada en el desarrollo de pilas pequeñas, ¿crees que será posible que estas pilas se puedan fabricar a menor escala?

H.B.: Lo que fabricamos es bastante pequeño, pero para algo del tamaño de un insecto necesitarás algo aún más chico. Tal vez usando deposición de vapor, o usando películas muy finas de electrodo y capas de electrólito se podría conseguir pilas más pequeñas, pero no debería ser demasiado difícil hacerlo. Me encanta tu área, ¡y la vista de los insectos siempre me ha fascinado!

I.D.: ¡Muchas gracias! El proceso de aumentar la escala parece que depende mucho de la industria, ¿cuánto difiere el proceso de la fabricación de las pilas de estado sólidos de las existentes para las pilas actuales? Noté que desarrollaste la pila en una caja de guantes, ¿eso dificultará su fabricación en la industria?

H.B.:  Ya hay bastantes industrias que fabrican pilas de tipo botón con metal litio, Duracell y Energizer son dos de ellas, así que es posible de fabricar. No usan una caja de guantes, ya que tienen medios para extraer la primera capa de óxido que se forme, y tienen salas secas. Debido a que el litio es mucho más sensible a la humedad que el oxígeno, es más importante evitar la humedad, y en este caso una sala seca es una necesidad. Aquí usamos una caja de guantes, pero lo importante es una sala seca. Hay otras maneras de preparar el litio también, como por ejemplo a temperaturas muy bajas, ya que no se oxidará como podría a temperatura ambiental.

I.D.: Las noticias también dicen que estas pilas de cristal pueden realizar más ciclos y que son más potentes que sus homólogas de iones de litio tradicionales, ¿cómo se consigue eso?

H.B.: Bueno, es más potente en comparación con las pilas industriales con la misma cantidad de litio. Podríamos demostrar que tienen una potencia más alta, pero siempre tienes que comparar la potencia con la cantidad de litio que hay dentro de la pila, así que no es un valor absoluto, sino uno relativo. Esto depende principalmente de los electrodos positivos que hay en el lado del cátodo. Podríamos hacer electrodos con una buena interfaz y una resistencia menor en el lado del cátodo. Ya podemos alcanzar una varianza muy alta en el lado del ánodo, pero queda por mejorar la interfaz del cátodo, y es en esto en lo que estamos trabajando actualmente, aunque la industria también tendrá que trabajar en ello.

I.D.: ¿Cómo de ecológicas son estas pilas?

H.B.: No estamos trabajando solo con litio, sino también con pilas de sodio que son completamente desechables. Todos los elementos que usamos en las pilas de sodio los puedes tener en el agua de mar. Con las pilas de litio tienes que recuperar el litio metal que hay dentro de la célula, y también depende mucho del cátodo que se utiliza.

Nota de parte de Inés: Por favor recicla tus pilas de manera responsable, y no las tires en la basura normal.

I.D.: Me imagino que estas pilas nuevas también ofrecerán compatibilidad con dispositivos anteriores, ¿verdad?

H.B.: Creo que sí, no veo por qué no. Las pilas que usamos no son una única célula, son muchas células colocadas en serie y en paralelo, así que cuando se enrolla una hoja grande de ánodo, electrólito y cátodo para formar un brazo de gitano, es como tener muchas pilas en paralelo. Se puede incrementar la potencia y el voltaje de la pila añadiendo más células en paralelo o en serie – pero claro, la resistencia tiene que ser muy baja dentro de las células. Los coches Tesla tienen muchísimas baterías – miles de ellas!

I.D.: Por último, ¡me encantaría que me contaras algo acerca de tu inspiración para investigar la ciencia de las pilas en primer lugar!

H.B.: ¡Empecé a trabajar como científica porque leí un libro por Hubert Reeves! Fue su primer libro, que versaba acerca del universo, del Big Bang, etcétera. Y yo me enamoré plenamente del concepto de la entropía.

Cuando tenía 16 años, me fui a París y me quedé en una universidad, y oí que él iba a dar una charla ahí. Así que le dejé algunas preguntas acerca de su libro, en particular acerca de la entropía, y él me dijo que contestaría mis preguntas en el siguiente libro.

Más adelante, él visitó Portugal, a la universidad, y me dijo que le gustaría que yo atendiese. Desafortunadamente, él dio la conferencia en francés, así que cuando fui a darle la bienvenida a Portugal, se disculpó por haber dado la conferencia en francés, y me dio una copia de su nuevo libro. Él sabía mi nombre, y yo me pregunté si todos los físicos eran así de amables y humildes como él.

Así que fue una mezcla de amar la entropía, de admirar científicos como él que me hizo decidir estudiar la física, aunque tuve algunas decepciones por el camino porque las cosas no son siempre tan fáciles. Así que tras empezar mi carrera en física, descubrí que me encantaban los materiales – en particular, tenía un profesor muy amable que hablaba de nanotecnología. Así que a partir de ahí, debido a mi interés en materiales, comencé mi doctorado en materiales. Cuando empiezas a ir por ese camino, no sabes a dónde te va a llevar. Me encanta Antonio Machado, y cómo dijo: “Caminante no hay camino, se hace camino al andar”. Es difícil, ¡pero puedes hacerlo!

Ha sido un honor hablar y aprender de una investigadora tan encantadora e inspiradora, y una señal de que la divulgación bien hecha puede inspirar a las mentes brillantes y curiosas para seguir una carrera científica. ¡Muchísimas gracias Helena!

Espero que hayas disfrutado este post y hayas aprendido algo nuevo hoy. Me encantaría saber qué pensáis acerca de este tema, ¡así que sentiros libres de expresaros en los comentarios! Si disfrutaste de este blog y quieres ser notificado de nuevas entradas, puedes suscribirte al mailing list aquí y subscribirte al canal de YouTube!

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