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Un impulso para la duración y la capacidad de la batería
Un nuevo truco químico para fabricar materiales nanoestructurados podría ayudar a aumentar el alcance y la confiabilidad de los autos eléctricos y conducir a mejores baterías que podrían ayudar a estabilizar la red eléctrica.
Sirviendo energía: Cuando se cultiva fosfato de litio-manganeso mediante un nuevo proceso, se forman placas microscópicas (que se muestran aquí). Estas placas conducen tanto electrones como iones de litio, convirtiéndolo en un material útil para almacenar electricidad.
Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) en Richland, WA, han desarrollado la técnica, que puede convertir un material de electrodo potencial que normalmente no puede almacenar electricidad en uno que almacena más energía que materiales de batería similares que ya están en el mercado.
En trabajo publicado en la revista Nano letras , los investigadores del PNNL muestran que la cera de parafina y el ácido oleico estimulan el crecimiento de nanoestructuras en forma de placa de fosfato de litio-manganeso. Estas nanoplacas son pequeñas y delgadas, lo que permite que los electrones y los iones (átomos o moléculas con carga positiva o negativa) entren y salgan fácilmente de ellas. Esto convierte el material, que normalmente no funciona como material de batería debido a su muy mala conductividad, en uno que almacena grandes cantidades de electricidad.
Cuando los investigadores midieron el rendimiento del material, descubrieron que podía almacenar un 10 por ciento más de energía que la capacidad energética máxima teórica de un material de electrodo comercial comparable: fosfato de litio y hierro, que se utiliza en herramientas eléctricas y algunos vehículos híbridos y eléctricos. .
El enfoque podría abrir la puerta al uso de una amplia gama de materiales de batería candidatos que ahora están limitados por su capacidad para conducir electricidad e iones de litio. La investigación en el área ha llegado al punto en que la mayoría de los materiales de la batería que quedan por estudiar tienen mala conductividad, dice Daiwon Choi, investigador de materiales energéticos en PNNL. El nuevo método proporciona una forma sencilla de aumentar su conductividad. Él dice que el método también podría ser compatible con las técnicas convencionales de fabricación de baterías.
Tanto el fosfato de litio-hierro como el fosfato de litio-manganeso son atractivos en los electrodos de la batería porque tienen una estructura atómica estable. Esta estructura cristalina, llamada olivino, es mucho más estable que la estructura cristalina de los materiales de los electrodos que se utilizan en las baterías de portátiles y teléfonos móviles. Como resultado, los materiales de olivino pueden durar mucho más que los tres años que suelen durar los materiales de las baterías de los teléfonos móviles. Algunos fabricantes afirman que las baterías de fosfato de hierro y litio podrían durar más de 30.000 ciclos completos de carga y descarga sin perder gran parte de su capacidad para almacenar energía, suficiente para que la batería dure 50 años, dice Choi.
En teoría, el fosfato de litio-manganeso podría durar un número similar de ciclos, porque tiene una estructura cristalina similar. Pero tiene la ventaja adicional de poder almacenar un 20 por ciento más de energía que el fosfato de litio-hierro, ya que opera a un voltaje más alto. Sin embargo, ha sido particularmente difícil modificar el fosfato de litio-manganeso para superar el hecho de que es un aislante eléctrico.
Los intentos anteriores han requerido procesar materiales precursores en una solución líquida antes de crear materiales sólidos para baterías, un proceso que es demasiado caro para la producción comercial. El nuevo método desarrollado en PNNL elimina este paso separado de procesamiento de líquidos, simplificando el proceso y haciéndolo compatible con las técnicas de fabricación existentes.
Para preparar el material, los investigadores mezclan precursores químicos con cera de parafina y ácido oleico. La cera y el ácido trabajan juntos para hacer que los materiales precursores formen cristales de un tamaño y forma bien controlados sin aglutinarse. La cera se licua a las altas temperaturas que se utilizan para procesar el material y actúa como un disolvente que reemplaza el paso de procesamiento de líquido separado utilizado en investigaciones anteriores.
Hasta ahora, el material solo se puede cargar a tasas bajas (aunque entrega energía lo suficientemente rápido para muchas aplicaciones). Choi dice que uno de los próximos pasos es desarrollar un mejor proceso para recubrir las nanoplacas con carbono, lo que debería mejorar la conductividad.
Aunque el fosfato de litio-manganeso es atractivo porque almacena más energía que el fosfato de litio-hierro, ambos ocupan una cantidad relativamente grande de volumen en comparación con otros tipos de electrodos para baterías de iones de litio. Jeff Dahn, profesor de física y química en la Universidad de Dalhousie, dice que, en última instancia, esto podría hacerlos más atractivos para aplicaciones estacionarias, como almacenar energía en la red eléctrica para ayudar a suavizar la variabilidad de fuentes renovables, que para los vehículos eléctricos.