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Baterías de coche eléctrico de mayor duración
En un avance que podría ayudar a los vehículos eléctricos a funcionar durante más tiempo entre cargas, los investigadores han demostrado que los electrodos de nanotubos de silicio pueden almacenar 10 veces más carga que los electrodos de grafito convencionales utilizados en las baterías de iones de litio.
Almacenamiento de silicio: Esta imagen de un paquete de nanotubos de silicio se obtuvo utilizando un microscopio electrónico de barrido.
Investigadores de la Universidad de Stanford y la Universidad de Hanyang en Ansan, Corea, están desarrollando electrodos de nanotubos en colaboración con Lg chem , una empresa coreana que fabrica baterías de iones de litio, incluidas las que se utilizan en Chevy Volt . Cuando se carga una batería de este tipo, los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo. Los nuevos electrodos de batería, descritos en línea en la revista Nano letras , son ánodos y pueden almacenar mucha más energía que los electrodos de grafito convencionales porque absorben mucho más litio cuando la batería está cargada.
En un automóvil híbrido, la batería dura solo 30 minutos usando la tecnología actual, dice Jaephil Cho , profesor de ingeniería energética en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan en Corea, quien dirigió la investigación sobre ánodos de nanotubos. Si el nuevo ánodo de silicio se puede combinar con un cátodo con una capacidad de almacenamiento comparable, la batería resultante debería poder hacer funcionar un automóvil durante tres o cuatro horas sin recargarse, dice Cho.
Los ánodos de silicio tienen una mayor capacidad de almacenamiento de energía que el grafito convencional porque el material puede absorber 10 veces más litio en peso que el carbono grafítico. De hecho, el silicio absorbe tanto litio, aumentando su volumen hasta cuatro veces, que puede ser una desventaja. La tensión mecánica sobre el material quebradizo es tan grande que los ánodos de silicio tienden a agrietarse después de que se cargan y descargan solo unas pocas veces. Entonces, los investigadores, incluidos Cho y el científico de materiales de Stanford Yi Cui , han estado desarrollando silicio nanoestructurado diseñado para resistir mejor estas tensiones. Han fabricado ánodos de nanocables de silicio y ánodos de silicio nanoporosos. Ahora han colaborado para desarrollar ánodos de nanotubos de silicio, cuya capacidad de almacenamiento es mejor que la de otros materiales de silicio nanoestructurados, dice Cho.
El ánodo de nanotubos de silicio parece un montón de pajitas huecas. Mientras que los nanocables de silicio pueden interactuar con el litio solo en su superficie, los nanotubos tienen más área de superficie expuesta en el interior. El nanotubo tiene una gran superficie, mucho más espacio para los sitios de reacción que otros tipos de materiales, dice Cho. La forma también ayuda a aliviar la tensión mecánica cuando la batería está cargada y descargada, porque hay espacio adicional para que el silicio se expanda y contraiga.
Los nanotubos de silicio se fabrican sumergiendo repetidamente una plantilla de aluminio en una solución de silicio y luego calentándola y grabando la estructura en ácido para eliminar el aluminio. Es muy simple y la plantilla está disponible comercialmente, dice Cho. Junto con LG Chem, Cho está trabajando con el fabricante de la plantilla para hacer una plantilla compatible con la fabricación a gran escala. Él cree que las baterías que incorporan los electrodos de nanotubos podrían estar en el mercado en tres años.
Es demasiado pronto para determinar si los ánodos de silicio aumentarían el costo de las baterías de litio. Sin embargo, incluso si el costo es más alto, debido a que puede obtener una alta capacidad [con silicio], habrá una ventaja, dice Arumugam Manthiram , profesor de estudios de ingeniería y energía en la Universidad de Texas en Austin.
LG Chem no es la única empresa de baterías que trabaja con ánodos de silicio; 3M y Sanyo también están desarrollando la tecnología. Sin embargo, quedan desafíos importantes antes de que estos electrodos se incorporen a los paquetes de baterías de los vehículos, advierte Stanley Whittingham , profesor de ciencia y química de materiales en la Universidad Estatal de Nueva York en Binghamton. Uno de los problemas con el silicio es recuperar toda la energía que se pone, una propiedad llamada eficiencia culómbica. Con el tiempo, cada vez menos energía que se ha puesto se descargará de una batería que utiliza un ánodo de silicio. Cui y Cho han demostrado el rendimiento de sus ánodos después de 200 cargas. Pero antes de que un ánodo sea utilizable en un vehículo, dice Whittingham, su eficiencia culómbica debe probarse con cientos o miles de cargas, y ese rendimiento a largo plazo aún no se ha demostrado con el silicio.
Otro desafío es que estos ánodos de alto rendimiento deben combinarse actualmente con cátodos menos estelares. Para darse cuenta del beneficio de un ánodo de silicio, necesita un cátodo cuya capacidad de almacenamiento de carga también sea 10 veces mejor, dice Cui. Con el fin de combinarlos en una batería que funcione para realizar pruebas, los ánodos de silicio se combinan actualmente con cátodos de gran volumen hechos de materiales convencionales. Cui y Cho también están desarrollando nuevos materiales para cátodos en colaboración con LG Chem.