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Baterías de iones de litio de mayor capacidad
Investigadores en Francia han creado electrodos de batería de iones de litio con varias veces la capacidad energética, en peso y volumen, de los electrodos convencionales. Los nuevos electrodos podrían ayudar a reducir el tamaño de las baterías de teléfonos celulares y computadoras portátiles, o bien aumentar el tiempo que un dispositivo podría funcionar con una carga. Es más, los métodos nanotecnológicos utilizados para fabricar estos electrodos podrían proporcionar una forma sencilla y económica de estructurar nuevos materiales para baterías de próxima generación para vehículos híbridos enchufables y totalmente eléctricos.
Un bosque de varillas de cobre de unos 100 nanómetros de diámetro crea mucha más superficie para los electrodos de batería de alta capacidad.
El avance clave es el desarrollo de una forma económica y sencilla de organizar partículas diminutas en una nanoestructura deseada, dice Patrice Simon, profesor de química en la Université Paul Sabatier, quien participó en el trabajo junto con otros investigadores de la universidad y Université Picardie Jules. Verne.
En un electrodo de batería convencional, los iones y electrones entrarán y saldrán rápidamente del material activo, lo que permitirá una carga y descarga rápidas, solo si el material se deposita en una película muy delgada. Sin embargo, las películas delgadas limitan la cantidad de material activo que se puede incorporar a una batería. Para las baterías de alta capacidad, los ingenieros suelen aumentar el grosor del material activo, intercambiando cargas rápidas y ráfagas de alta potencia por más almacenamiento de energía.
Esta nueva nanoestructura permite una gran potencia y una gran capacidad de almacenamiento. Los materiales activos se aplican en una película muy fina a nanobarras de cobre ancladas a láminas de papel de cobre. Esta fina película permite el movimiento rápido de iones y electrones, proporcionando la energía. Al mismo tiempo, la gran superficie del bosque de nanobarras hace posible empaquetar mucho más material activo en un electrodo de lo que normalmente permiten las películas delgadas, aumentando así la capacidad energética. Las varillas proporcionan 50 centímetros cuadrados de superficie por cada centímetro cuadrado de electrodo.
Además, la alta movilidad de iones y electrones de la capa delgada permite utilizar un nuevo material activo y una nueva reacción química para las baterías de iones de litio. Esta nueva química es atractiva porque puede acomodar muchos más iones de litio, y sus contrapartes de electrones, que la química que se usa ahora, por lo que puede almacenar más energía.
Los nuevos electrodos, que se usarían como electrodos negativos en las baterías de iones de litio, también mostraron la capacidad de retener su alta capacidad después de cargarse y descargarse muchas veces, lo que sugiere que los electrodos pueden tener una vida útil prolongada, dice Simon, aunque se necesitan pruebas más extensas para confirmar esta suposición.
Porque este avance, descrito en línea esta semana en Materiales de la naturaleza , se aplica hasta ahora a los electrodos negativos, el aumento porcentual de la capacidad con respecto a las baterías actuales dependerá también de la capacidad del electrodo positivo. (Ver Battery Breakthrough para una descripción de un posible candidato a electrodo positivo citado por los investigadores). Las primeras aplicaciones de la tecnología probablemente serán baterías extremadamente pequeñas, dice Simon. Estos podrían ser útiles para sensores remotos o implantes médicos. Otras aplicaciones requerirán aumentar el tamaño de los electrodos que pueden hacer los investigadores y también optimizar el material activo que utilizan.
Los materiales utilizados en los experimentos informados no son energéticamente eficientes: alrededor del 20-25 por ciento de la energía utilizada para cargarlos no se puede recuperar mientras se descargan. Esta pérdida de energía no es un gran problema con las baterías de los teléfonos móviles, dice Gerbrand Ceder, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT. A lo largo de la vida, probablemente gaste unos centavos en cargar el teléfono celular, dice. Pero para aplicaciones de energía más grandes, como los vehículos eléctricos, esta falta de eficiencia podría ser costosa, especialmente con los altos precios de la electricidad. Por ello, los investigadores están incorporando en sus electrodos nanoestructurados diferentes materiales activos de alta capacidad que no presentan este problema de eficiencia energética.
Al recurrir a la nanotecnología para mejorar las baterías, los investigadores franceses no son los únicos. Al menos dos empresas, A123 Systems, en Watertown, MA, y Altair Nano, en Reno, NV, han fabricado baterías que incluyen electrodos con materiales activos nanoestructurados; y numerosos grupos de investigación de todo el mundo están desarrollando dichos electrodos. Simon describe el proceso de su grupo como más simple y económico que muchos otros métodos para hacer nanoestructuras. También es versátil, capaz de usarse con una variedad de materiales activos, dice.
También podría ser importante para otra tendencia clave en la investigación de baterías: el cambio de capas planas de materiales de electrodos a electrodos positivos y negativos que se interpenetran, una arquitectura tridimensional que puede mejorar la movilidad de iones y electrodos, aumentando así la energía de la batería. El grupo francés también está trabajando ahora en una batería tridimensional, dice Simon, que combinará sus electrodos negativos con un electrodo positivo de alto rendimiento.