El poder de la espuma: Este cátodo de batería de iones de litio se puede utilizar para fabricar una batería que almacene tanta energía como una convencional, pero que puede ser recargada cientos de veces más rápido.
Fuente: Paul Braun
Por Katherine Bourzac
Una nueva forma de fabricar electrodos de baterías basada en espumas metálicas nanoestructuradas ha sido utilizada para desarrollar una batería de iones de litio que puede ser recargada hasta el 90 por ciento de su capacidad en tan sólo dos minutos. Si se consigue comercializar el nuevo método, éste podría permitir el desarrollo de ordenadores portátiles que se recarguen en pocos minutos o de teléfonos móviles que se recarguen en 30 segundos.
Los métodos utilizados para producir los electrodos de carga ultrarrápida son compatibles con una amplia gama de combinaciones químicas de baterías, los investigadores también los han utilizado para producir baterías de níquel-metal-hidruro, el tipo de baterías utilizado habitualmente en los vehículos híbridos y eléctricos.
Cuán rápido se puede recargar una batería y seguidamente liberar su energía está limitado principalmente por el movimiento de los electrones e iones dentro y fuera del cátodo, el electrodo con carga negativa durante la recarga. Los investigadores han estado tratando de utilizar materiales nanoestructurados para mejorar el proceso, pero por lo general hay un equilibrio entre la capacidad total de almacenamiento de energía (que determina el tiempo que una batería puede funcionar antes de necesitar una recarga) y el tiempo de recarga. "Se ha conseguido resolver la mitad del problema", explica Paul Braun, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
El grupo de Braun ha desarrollado espumas metálicas altamente porosas cubiertas con una gran cantidad de materiales activos de batería. El metal proporciona una alta conductividad eléctrica, y aunque la estructura es porosa, dispone del material activo necesario para almacenar una cantidad suficiente de energía. Los poros permiten a los iones moverse sin obstáculos.
El primer paso en la fabricación de los cátodos es crear un lodo de esferas poliméricas en la superficie de un substrato conductor. Debido a su forma y carga superficial, las esferas se autoensamblan siguiendo un patrón regular. A continuación, los investigadores de Illinois utilizan una técnica común que se llama galvanoplastia para llenar el espacio entre las esferas con níquel. Seguidamente, disuelven las esferas de polímero, y la mayor parte del metal, para obtener una esponja de níquel que está constituida por espacio abierto en aproximadamente un 90 por ciento. Por último, los investigadores cultivan el material activo sobre la esponja.
"Aún estamos bastante lejos de obtener un producto, pero disponemos de prototipos de laboratorio bastante buenos" con baterías de níquel-metal-hidruro y con baterías de iones de litio, destaca Braun. El grupo de Illinois ha desarrollado unas baterías de iones de litio que pueden ser recargadas casi por completo en aproximadamente dos minutos. El método utilizado debería ser aplicable a los tamaños de celdas necesarios para los ordenadores portátiles y coches eléctricos, aunque los investigadores todavía no lo han probado.
"El rendimiento que han obtenido no tiene precedentes", afirma Andreas Stein, profesor de química de la Universidad de Minnesota. Stein fue el primero en desarrollar el método de plantillas polímero-partícula que utiliza el grupo de Braun. El trabajo de Braun se describe en la revista Nature Nanotechnology.
Jeff Dahn, profesor de física de la Universidad de Dalhousie, se muestra escéptico sobre la posibilidad de que estos electrodos lleguen alguna vez a convertirse en productos. "Cuando nos fijamos en el diagrama de flujo para la obtención de esta estructura, observamos que es bastante complicado, y que va a ser caro", afirma Dahn.
Braun reconoce: "Hay un montón de gente a quien se le ocurre una estructura [de electrodo] elegante, pero su fabricación resulta ser difícil." Sin embargo, Braun afirma que su proceso de fabricación combina métodos existentes que actualmente se utilizan de forma generalizada para fabricar otros productos, si bien no baterías, y que no debería ser demasiado difícil adaptarlos. Este proceso añadiría etapas adicionales a la producción de una batería, pero estos pasos no son especialmente costosos o complejos, señala Braun.
En el futuro próximo, el grupo de Braun probará la estructura de electrodo con una gama más amplia de combinaciones químicas de baterías y trabajará en la mejora de la otra mitad de las baterías, el ánodo—un proyecto más complicado.
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