Según un artículo públicado por investigadores de la Universidad Northwestern en la revista Avanced Energy Materials, un equipo de ingenieros ha creado un electrodo para baterías de iones de litio - baterías recargables como las que se encuentran en los teléfonos móviles, y los portátiles - que permite mantener una carga hasta 10 veces superior que la tecnología actual, pero es que además las baterías con el nuevo electrodo también se pueden cargar 10 veces más rápido que las baterías actuales.
Los investigadores combinaron dos métodos de ingeniería química para abordar las dos principales limitaciones de las baterías: la capacidad de almacenamiento y la velocidad de carga.
"Hemos encontrado una manera de extender la duración de una batería de iones de litio hasta 10 veces", dijo Harold H. Kung, autor principal del artículo. "Incluso después de 150 cargas, lo que vendría a ser un año o más de funcionamiento, la batería sigue siendo cinco veces más eficaz que las baterías de iones de litio actuales." Kung es profesor de ingeniería química y biológica en la McCormick School of Engineering and Applied Science.
Las baterías de litio de cargan a través de una reacción química en la que los iones de litio se envían entre los dos extremos de la batería, el ánodo y el cátodo. Cuando se utiliza, los iones de litio viajan desde el ánodo, a través del electrolito hasta el cátodo, y al recargarse los iones se desplazan en la dirección contraria.
Con la tecnología actual, el rendimiento de una batería de iones de litio es limitado en dos sentidos. Su capacidad de almacenamiento que se ve limitada por la densidad de carga, o la cantidad de iones de litio puede ser empaquetados en el ánodo o cátodo. Mientras tanto, la tasa de carga de la batería - la velocidad a la que se recarga - se ve limitada por otro factor: la velocidad a la que los iones de litio pueden hacer su recorrido desde el electrolito en el ánodo.
En las actuales baterías recargables, el ánodo - hecho de finas capas de láminas de grafeno - sólo puede acomodar a un átomo de litio por cada seis átomos de carbono. Para aumentar la capacidad, los científicos han experimentado en anterioridad con el reemplazo del carbón con el silicio, como silicio puede acomodar mucho más litio: cuatro átomos de litio por cada átomo de silicio. Sin embargo, el problema del silicio es que se expande y contrae de manera espectacular durante el proceso de carga, causando fragmentación en las estructuras atómicas y pérdida en su capacidad de carga.
Respecto a la velocidad de carga de la baterías, ésta se ve obstaculizada por la estructura de las hojas de grafeno: son muy delgadas, de un solo átomo de carbono de espesor. Durante el proceso de carga, los átomos de litio tienen que viajar hasta los bordes exteriores de la hoja de grafeno antes de entrar al interior de las láminas, es este recorrido lo que crea una especie de atasco de tráfico alrededor de los bordes de las capas de grafeno.
El equipo de investigación ha combinado dos técnicas para combatir estos dos problemas. En primer lugar, para estabilizar el silicio con el fin de mantener la capacidad de carga máxima ha empaquetado pequeñas agrupaciones de silicio (clusters) entre las láminas de grafeno. Esto permitió un mayor número de átomos de litio en el electrodo mientras se utiliza la flexibilidad de las hojas de grafeno para adaptarse a los cambios de volumen de silicio durante su uso.
"Ahora casi tenemos lo mejor de ambos mundos", dijo Kung. "Tenemos una densidad mucho mayor de energía debido a que el empaquetado de silicio entre las capas de grafeno reduce la pérdida de capacidad por las expaciones y contracciones del silicio. Incluso si los grupos de silicio se rompen, el silicio no se pierde."
Equipo de Kung también se utiliza un proceso de oxidación química para crear agujeros minúsculos (10 a 20 nanómetros) en las hojas de grafeno - denominados "in-plane defects" - así los iones de litio tienen un "atajo" en el ánodo y se almacena allí por reacción con el silicio. Esto redujo el tiempo de carga hasta 10 veces.
Este avance tecnológico permitirá en pocos años disponer de baterías para coches eléctricos mucho más pequeñas y mucho más rápidas de cargar, el futuro está cada vez más cerca.
