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Baterías de mayor duración para laptops
Las baterías de iones de litio convencionales en computadoras portátiles y teléfonos celulares pierden rápidamente su capacidad de almacenar energía y pueden incendiarse si se sobrecargan o se dañan. Ahora los investigadores de Laboratorio Nacional Argonne en Argonne, IL, han desarrollado materiales compuestos para baterías que pueden hacer que dichas baterías sean más seguras y de mayor duración, al tiempo que aumentan su capacidad para almacenar energía en un 30 por ciento.
Potentes partículas: Los nuevos materiales de electrodos de baterías de iones de litio, que se muestran aquí bajo un microscopio electrónico, pueden almacenar más energía y, por lo tanto, lo hacen de manera más segura que las baterías de iones de litio convencionales en computadoras portátiles y teléfonos celulares.
El mes pasado, los investigadores dieron un paso significativo hacia la comercialización de la tecnología al otorgarle una licencia a una importante empresa de suministro de materiales, Toda Kogyo, con sede en Japón. La compañía tiene la capacidad de fabricar los materiales para aproximadamente 30 millones de baterías de computadoras portátiles al año, dice Gary Henriksen, quien administra la investigación de almacenamiento electroquímico en Argonne.
Los nuevos materiales son un ejemplo de una nueva generación de químicas de electrodos de iones de litio que abordan las deficiencias de las baterías de iones de litio convencionales. Cada uno tiene sus propias compensaciones. Por ejemplo, otro material llamado fosfato de hierro y litio tiene mejor seguridad y durabilidad que los materiales de Argonne, pero almacena algo menos de energía que las baterías de iones de litio convencionales. Los materiales de Argonne mejoran la seguridad y confiabilidad de las baterías de computadoras portátiles actuales, al mismo tiempo que almacenan más energía.
Los investigadores de Argonne han mejorado el rendimiento de los electrodos positivos aumentando la estabilidad química y estructural de los materiales que ya se utilizan en las baterías de portátiles. En las baterías de iones de litio convencionales, que tienen electrodos de óxido de cobalto, una pequeña cantidad de sobrecalentamiento, causado por la sobrecarga del material o por cortocircuitos eléctricos dentro de una batería, puede provocar un rápido aumento de la temperatura dentro de la celda y, en algunos casos, la combustión. Esto se debe a que, a medida que el material se sobrecalienta, el óxido de cobalto cede fácilmente oxígeno, que reacciona con el solvente en el electrolito de la batería y genera más calor, alimentando las reacciones. Los investigadores de Argonne abordaron este problema reemplazando parte del óxido de cobalto con óxido de manganeso, que es químicamente más estable.
El siguiente paso de los investigadores fue reemplazar algunos de los materiales de óxido metálico activo en el electrodo con un material relacionado pero electroquímicamente inactivo, formando un compuesto. Este material no almacena energía, porque no libera ni capta iones de litio cuando la batería se carga y descarga. (Las baterías de iones de litio crean corriente eléctrica a medida que los iones de litio se desplazan entre los electrodos positivos y negativos). El material inactivo hace que el compuesto sea más estable que los materiales de electrodos convencionales, lo que significa que puede durar más. Una versión del material puede durar 1.500 cargas y descargas sin perder mucha capacidad, dice. Eso es más del doble de la vida útil de las baterías de portátiles convencionales.
Es más, reducir la cantidad de material activo que almacena energía tiene el efecto contrario a la intuición de aumentar la capacidad de almacenamiento del material compuesto. Si se elimina demasiado litio de los materiales de óxido de cobalto convencionales, el material se degrada y pierde rápidamente su capacidad de cargarse y descargarse por completo. El material inactivo permite utilizar mucho más litio sin dañar el material.
El material del electrodo puede almacenar entre un 45 y un 50 por ciento más de energía que los mejores electrodos de las baterías de los portátiles. En términos de una celda de batería completa, dado que el electrodo positivo representa menos de la mitad del peso y volumen total de una celda de batería, el almacenamiento total de energía de la batería se puede mejorar entre un 20 y un 30 por ciento, dice Henriksen.
El siguiente paso de los investigadores es mejorar la velocidad a la que se puede cargar y descargar el material compuesto para que pueda utilizarse en vehículos híbridos. Como está hecho ahora, el material Argonne se puede descargar por completo en aproximadamente tres horas, lo suficientemente rápido para computadoras portátiles pero demasiado lento para un automóvil. Las tasas de descarga deberán ser al menos tres veces más rápidas, y probablemente más, para que la tecnología funcione en híbridos enchufables, vehículos en los que la batería se puede recargar desde una toma de corriente convencional.
Yet-Ming Chiang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, dice que el nuevo material es una mejora significativa con respecto al óxido de cobalto y litio para baterías de portátiles. Si lo piensa en términos de un campo que crece entre un 8 y un 9 por ciento por año, simplemente se ahorró tres años. Es posible que hayas superado a la competencia, dice. Estoy seguro de que cualquiera que fabrique baterías para teléfonos móviles y portátiles estaría muy feliz de tener ese tipo de ventaja.