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Una forma sencilla de aumentar el almacenamiento de la batería
Los electrodos de las baterías de iones de litio unidos por un nuevo material altamente conductor tienen una capacidad de almacenamiento mucho mayor, un desarrollo que eventualmente podría aumentar la autonomía de los autos eléctricos y la vida útil de las baterías de los teléfonos inteligentes sin aumentar su costo. A diferencia de muchos electrodos de alta capacidad desarrollados en los últimos años, estos pueden fabricarse utilizando el equipo que ya se encuentra en las fábricas de baterías actuales.
Carpeta de batería: Esta imagen de microscopía muestra un electrodo de silicio antes de cargar (izquierda) y después de 32 ciclos. Un nuevo aglutinante mantiene las partículas juntas.
La clave es un aglutinante de polímero elástico y altamente conductor que se puede usar para unir silicio, estaño y otros materiales que pueden almacenar mucha energía pero que normalmente son inestables. Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley diseñaron minuciosamente este nuevo aglutinante polimérico y lo utilizaron para fabricar un ánodo de silicio para una batería recargable de iones de litio con una capacidad de almacenamiento un 30 por ciento mayor que las del mercado actual. También es más estable en el tiempo que los electrodos desarrollados anteriormente.
Cuando se carga una batería de iones de litio, uno de los electrodos, llamado ánodo, absorbe los iones de litio. Cuanto más litio puede contener el ánodo, más energía puede almacenar la batería. El silicio es uno de los materiales de ánodos más prometedores: puede almacenar 10 veces más litio que el grafito, que se utiliza para fabricar los ánodos en las baterías de iones de litio del mercado actual. El grafito absorbe el litio como una esponja, manteniendo su forma, pero el silicio es más como un globo, dice Gao Liu , investigador de la División de Tecnologías de Energía Ambiental de Berkeley Lab.
Sin embargo, debido a que los ánodos de silicio se hinchan y encogen, cambiando de volumen tres o cuatro veces a medida que se cargan y descargan, la capacidad de la batería se desvanece con el tiempo. Después de algunas rondas de carga y descarga, muy pronto las partículas de silicio no están en contacto entre sí, lo que significa que el ánodo no puede conducir la electricidad, dice Liu.
Un enfoque al problema es estructurar estos ánodos de una manera totalmente diferente, por ejemplo, haciendo crecer matrices peludas de nanocables de silicio que pueden doblarse, hincharse y moverse cuando el litio entra y sale. Amprius, una startup en Palo Alto, California, está comercializando este enfoque. Pero el cultivo de nanocables requiere nuevos procesos que normalmente no se utilizan en la fabricación de baterías.
Los ánodos de hoy en día se fabrican pintando una suspensión a base de solvente de partículas de grafito unidas con un aglutinante, un proceso simple que mantiene bajos los costos. Los investigadores de Berkeley creen que la clave para hacer que los nuevos materiales de las baterías, como el silicio, funcionen, es ceñirse a este proceso de fabricación. Eso significó crear un aglutinante gomoso que se adhiera a las partículas de silicio, permanezca altamente conductivo en el ambiente hostil del ánodo y se estire y contraiga a medida que el ánodo se hincha y desinfla.
La mayor parte del trabajo en baterías avanzadas se ha centrado en los materiales activos, pero hemos llevado estos materiales al límite, dice Yury Gogotsi , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Drexel. Ahora lo que nos limita son los aglutinantes.
Al leer artículos sobre aglutinantes de baterías de silicio, Liu notó que los investigadores estaban cometiendo errores fatales, al elegir polímeros que pierden su conductividad en el tipo de condiciones que se encuentran en un ánodo, por ejemplo. Trabajó con químicos teóricos para elaborar una lista de polímeros con las propiedades eléctricas adecuadas para el trabajo. Una vez que encontraron uno, lo alteraron para hacerlo mucho más pegajoso. Una vez que desarrollaron y caracterizaron este nuevo material, pudieron hacer ánodos de silicio usando procesos convencionales y probarlos en baterías.
Los ánodos del grupo Berkeley se han probado en más de 650 ciclos de carga. Mantienen una capacidad de almacenamiento de 1.400 miliamperios hora por gramo, mucho mayor que los 300 aproximadamente que almacenan los ánodos convencionales. Las baterías llenas que incorporan los ánodos almacenan aproximadamente un 30 por ciento más de energía total que una batería comercial de iones de litio. Por lo general, la capacidad de la batería aumenta aproximadamente un 5 por ciento al año, señala Liu. Dice que han probado el aglutinante en otros ánodos de batería, incluidos los de estaño, que tienen problemas y potenciales similares, y que debería funcionar con cualquiera de esos materiales.
La capacidad de almacenamiento de estas baterías es casi tan buena como las fabricadas con nanocables de silicio puro sin aglutinantes, dice Yi Cui , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y uno de los fundadores de Amprius. Eso es impresionante, dice, considerando que el aglutinante no almacena litio.
El grupo de Liu ahora está colaborando con investigadores de 3M en la investigación del ánodo. 3M está aumentando la producción de materiales de batería a base de silicio diseñados para no expandirse tanto durante la carga, dice Kevin Eberman, quien está desarrollando productos de materiales de batería en Electrónica de 3M en St. Paul, Minnesota. Pero para que funcionen, una buena carpeta es clave. La compañía está proporcionando al grupo de Berkeley materiales para probar. Liu dice que el grupo Berkeley ha patentado los aglutinantes y está en conversaciones con algunas empresas sobre formas de comercializarlos.