Construir baterías más potentes es posible con un nuevo diseño de electrodos

Una nueva investigación podría dar lugar a baterías capaces de proporcionar más energía por kilo y durar más tiempo, basándose en el objetivo largamente perseguido de utilizar metal de litio puro como uno de los dos electrodos de la batería, el ánodo.

El nuevo concepto de electrodo procede del laboratorio de Ju Li, catedrático de Ciencia e Ingeniería Nuclear de la Alianza Energética Battelle y profesor de Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Se describe en la revista Nature, en un artículo del que son coautores Yuming Chen y Ziqiang Wang, del MIT, junto con otras 11 personas del MIT y de Hong Kong, Florida y Texas.

El diseño forma parte de un concepto para desarrollar baterías seguras de estado sólido, prescindiendo del líquido o gel de polímero que suele utilizarse como material electrolítico entre los dos electrodos de la batería. Un electrolito permite que los iones de litio se desplacen de un lado a otro durante los ciclos de carga y descarga de la batería, y una versión totalmente sólida podría ser más segura que los electrolitos líquidos, que tienen una alta volatilidad y han sido fuente de explosiones en las baterías de litio, informó Phys.

"Se ha trabajado mucho en baterías de estado sólido, con electrodos de metal de litio y electrolitos sólidos", dice Li, pero estos esfuerzos se han enfrentado a una serie de problemas.

Uno de los mayores problemas es que, cuando la batería se carga, los átomos se acumulan en el interior del metal de litio, haciendo que se expanda. El metal vuelve a encogerse durante la descarga, cuando se utiliza la batería. Estos cambios repetidos en las dimensiones del metal, algo así como el proceso de inhalar y exhalar, dificultan que los sólidos mantengan un contacto constante y tienden a provocar la fractura o el desprendimiento del electrolito sólido.

Otro problema es que ninguno de los electrolitos sólidos propuestos es realmente estable desde el punto de vista químico mientras está en contacto con el metal de litio, altamente reactivo, y tiende a degradarse con el tiempo.

La mayoría de los intentos de superar estos problemas se han centrado en diseñar materiales de electrolitos sólidos que sean absolutamente estables frente al metal de litio, lo que resulta difícil. En su lugar, Li y su equipo adoptaron un diseño inusual que utiliza dos clases adicionales de sólidos, los "conductores iónico-electrónicos mixtos" (MIEC) y los "aislantes de electrones e iones de litio" (ELI), que son absolutamente estables químicamente en contacto con el metal de litio.

Los investigadores desarrollaron una nanoarquitectura tridimensional en forma de panal de tubos MIEC hexagonales, parcialmente infundidos con el metal de litio sólido para formar un electrodo de la batería, pero con un espacio extra dentro de cada tubo. Cuando el litio se expande en el proceso de carga, fluye hacia el espacio vacío del interior de los tubos, moviéndose como un líquido aunque conserve su estructura cristalina sólida. Este flujo, totalmente confinado en el interior de la estructura de panal, alivia la presión de la expansión causada por la carga, pero sin cambiar las dimensiones exteriores del electrodo ni la frontera entre el electrodo y el electrolito. El otro material, el ELI, sirve de aglutinante mecánico crucial entre las paredes del MIEC y la capa sólida de electrolito.

"Diseñamos esta estructura que nos proporciona electrodos tridimensionales, como un panal de abejas", dice Li. Los espacios vacíos de cada tubo de la estructura permiten que el litio se "arrastre hacia atrás" dentro de los tubos, "y así no acumula tensión que agriete el electrolito sólido". El litio que se expande y contrae dentro de estos tubos se mueve hacia dentro y hacia fuera, algo así como los pistones de un motor de coche dentro de sus cilindros. Como estas estructuras se construyen a nanoescala (los tubos tienen entre 100 y 300 nanómetros de diámetro y decenas de micras de altura), el resultado es como "un motor con 10.000 millones de pistones, con litio metálico como fluido de trabajo", afirma Li.

Como las paredes de estas estructuras en forma de panal están hechas de MIEC químicamente estable, el litio nunca pierde el contacto eléctrico con el material, dice Li. Así, toda la batería sólida puede permanecer mecánica y químicamente estable a lo largo de sus ciclos de uso. El equipo ha demostrado el concepto experimentalmente, sometiendo un dispositivo de prueba a 100 ciclos de carga y descarga sin que se produzca ninguna fractura en los sólidos.

Li afirma que, aunque muchos otros grupos están trabajando en lo que llaman baterías sólidas, la mayoría de esos sistemas funcionan mejor con algún electrolito líquido mezclado con el material del electrolito sólido. "Pero en nuestro caso", dice, "es realmente todo sólido. No hay líquido ni gel de ningún tipo".

El nuevo sistema podría dar lugar a ánodos seguros que pesen sólo una cuarta parte de lo que pesan sus homólogos convencionales en las baterías de iones de litio, para la misma capacidad de almacenamiento. Si se combina con nuevos conceptos de versiones ligeras del otro electrodo, el cátodo, este trabajo podría conducir a reducciones sustanciales del peso total de las baterías de iones de litio. Por ejemplo, el equipo espera que pueda conducir a teléfonos móviles que puedan cargarse sólo una vez cada tres días, sin que los teléfonos sean más pesados o voluminosos.

Otro equipo dirigido por Li describió un nuevo concepto de cátodo más ligero en un artículo publicado el mes pasado en la revista Nature Energy, del que son coautores Zhi Zhu, postdoctorado del MIT, y Daiwei Yu, estudiante de posgrado. El material reduciría el uso de níquel y cobalto, que son caros y tóxicos y se utilizan en los cátodos actuales. El nuevo cátodo no depende únicamente de la contribución a la capacidad de estos metales de transición en el ciclo de la batería. En su lugar, se basaría más en la capacidad redox del oxígeno, que es mucho más ligero y abundante. Pero en este proceso los iones de oxígeno se vuelven más móviles, lo que puede hacer que se escapen de las partículas del cátodo. Los investigadores utilizaron un tratamiento superficial a alta temperatura con sal fundida para producir una capa superficial protectora en las partículas de óxido metálico rico en manganeso y litio, de modo que la cantidad de pérdida de oxígeno se reduce drásticamente.

Aunque la capa superficial es muy fina, de apenas 5 a 20 nanómetros de grosor en una partícula de 400 nanómetros de ancho, proporciona una buena protección al material subyacente. "Es casi como una inmunización", dice Li, contra los efectos destructivos de la pérdida de oxígeno en las pilas utilizadas a temperatura ambiente. Las versiones actuales proporcionan una mejora de al menos el 50 por ciento en la cantidad de energía que se puede almacenar para un peso determinado, con una estabilidad de ciclo mucho mayor.

El equipo sólo ha construido hasta ahora pequeños dispositivos a escala de laboratorio, pero "espero que esto pueda ampliarse muy rápidamente", afirma Li. Los materiales necesarios, sobre todo el manganeso, son mucho más baratos que el níquel o el cobalto utilizados por otros sistemas, por lo que estos cátodos podrían costar tan sólo una quinta parte de lo que cuestan las versiones convencionales.

Autor: Tasnim News

Crédito de la imagen: Pixabay

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