Un gran problema al que se enfrentan los electrodos de las baterías recargables, a medida que atraviesan ciclos repetidos de carga y descarga, es que deben expandirse y contraerse durante cada ciclo, a veces duplicando su volumen y luego volviendo a reducirse. Esto puede provocar el desprendimiento y la reformación repetidos de su capa de «piel», que consume litio de forma irreversible y degrada el rendimiento de la batería con el tiempo.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT y de la Universidad Tsinghua de China ha descubierto una forma novedosa de sortear ese problema: crear un electrodo formado por nanopartículas con una cáscara sólida y una «yema» en su interior que puede cambiar de tamaño una y otra vez sin afectar a la cáscara. Según afirma el equipo, la innovación podría mejorar drásticamente la vida útil de los ciclos y aportar un notable aumento de la capacidad y la potencia de la batería.
Los nuevos hallazgos, que utilizan el aluminio como material clave para el electrodo negativo, o ánodo, de la batería de iones de litio, se publican en la revista Nature Communications, en un artículo del profesor del MIT Ju Li y seis colaboradores más. Según informa el equipo, el uso de nanopartículas con una yema de aluminio y una cáscara de dióxido de titanio ha demostrado ser «el campeón de alta velocidad entre los ánodos de alta capacidad».
La mayoría de las baterías de iones de litio actuales —la forma más utilizada de baterías recargables— emplean ánodos de grafito, una forma de carbono. El grafito tiene una capacidad de almacenamiento de carga de 0,35 amperios-hora por gramo (Ah/g); durante muchos años, los investigadores han explorado otras opciones que proporcionarían un mayor almacenamiento de energía para un peso dado. El litio metálico, por ejemplo, puede almacenar unas 10 veces más energía por gramo, pero es extremadamente peligroso, capaz de provocar cortocircuitos o incluso incendiarse. El silicio y el estaño tienen una capacidad muy alta, pero esta disminuye a altas velocidades de carga y descarga.
El aluminio es una opción de bajo coste con una capacidad teórica de 2 Ah/g. Pero el aluminio y otros materiales de alta capacidad, afirma Li, «se expanden mucho cuando alcanzan una gran capacidad, cuando absorben litio. Y luego se contraen cuando liberan litio».
Esta expansión y contracción de las partículas de aluminio genera un gran estrés mecánico, que puede provocar la desconexión de los contactos eléctricos. Además, el electrolito líquido en contacto con el aluminio siempre se descompone a los voltajes de carga y descarga requeridos, formando una piel llamada capa de interfase de electrolito sólido (SEI), lo cual sería aceptable si no fuera por la repetida expansión y contracción de gran volumen que hace que las partículas de SEI se desprendan. Como resultado, los intentos previos de desarrollar un electrodo de aluminio para baterías de iones de litio habían fracasado.
Ahí es donde surgió la idea de usar aluminio confinado en forma de nanopartícula de yema-cáscara. En el ámbito de la nanotecnología, existe una gran diferencia entre las denominadas nanopartículas «núcleo-cáscara» y «yema-cáscara». Las primeras tienen una cáscara unida directamente al núcleo, mientras que las partículas de yema-cáscara presentan un vacío entre ambas, equivalente al lugar que ocupa la clara de un huevo. Como resultado, el material de la «yema» puede expandirse y contraerse libremente, con poco efecto sobre las dimensiones y la estabilidad de la «cáscara».
«Hicimos una cáscara de óxido de titanio», afirma Li, «que separa el aluminio del electrolito líquido» entre los dos electrodos de la batería. La cáscara no se expande ni se contrae mucho, afirma, por lo que el recubrimiento SEI de la cáscara es muy estable y no se desprende, y el aluminio del interior queda protegido del contacto directo con el electrolito.
El equipo no lo planteó originalmente de esa manera, afirma Li, profesor Battelle Energy Alliance de Ciencia e Ingeniería Nuclear, que tiene un nombramiento conjunto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.
«Llegamos al método de forma fortuita, fue un descubrimiento casual», afirma. Las partículas de aluminio que utilizaron, de unos 50 nanómetros de diámetro, presentan de forma natural una capa oxidada de alúmina (Al2O3). «Necesitábamos eliminarla, porque no es buena para la conductividad eléctrica», afirma Li.
Terminaron convirtiendo la capa de alúmina en titania (TiO2), un mejor conductor de electrones e iones de litio cuando es muy fina. Se colocaron polvos de aluminio en ácido sulfúrico saturado con oxisulfato de titanio. Cuando la alúmina reacciona con el ácido sulfúrico, se libera agua en exceso que reacciona con el oxisulfato de titanio para formar una cáscara sólida de hidróxido de titanio con un grosor de 3 a 4 nanómetros. Lo sorprendente es que, mientras esta cáscara sólida se forma casi instantáneamente, si las partículas permanecen en el ácido unas horas más, el núcleo de aluminio se reduce de forma continua hasta convertirse en una «yema» de 30 nm de diámetro, lo que demuestra que los iones pequeños pueden atravesar la cáscara.
Las partículas se tratan después para obtener las partículas finales de yema-cáscara de aluminio-titania (ATO). Tras someterse a 500 ciclos de carga y descarga, la cáscara de titania se vuelve algo más gruesa, afirma Li, pero el interior del electrodo permanece limpio, sin acumulación de SEI, lo que demuestra que la cáscara encierra por completo el aluminio al tiempo que permite que los iones de litio y los electrones entren y salgan. El resultado es un electrodo que ofrece más de tres veces la capacidad del grafito (1,2 Ah/g) a una velocidad de carga normal, afirma Li. A velocidades de carga muy rápidas (seis minutos para la carga completa), la capacidad sigue siendo de 0,66 Ah/g tras 500 ciclos.
Los materiales son económicos, y el método de fabricación podría ser sencillo y fácilmente escalable, afirma Li. Para aplicaciones que requieren una batería de alta densidad de potencia y energía, afirma, «probablemente es el mejor material disponible para ánodos». Las pruebas de celda completa con fosfato de hierro y litio como cátodo han tenido éxito, lo que indica que ATO está bastante cerca de estar listo para aplicaciones reales.
«Estas partículas de yema-cáscara muestran un rendimiento muy impresionante en pruebas a escala de laboratorio», afirma David Lou, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, que no participó en este trabajo. «Para mí, el punto más atractivo de este trabajo es que el proceso parece sencillo y escalable».
Existe mucho trabajo en el campo de las baterías que utiliza una «síntesis complicada con instalaciones sofisticadas», añade Lou, pero tales sistemas «es poco probable que tengan impacto en baterías reales. … Las cosas sencillas tienen un impacto real en el campo de las baterías».
El equipo de investigación incluyó a Sa Li, Yu Cheng Zhao y Chang An Wang, de la Universidad Tsinghua en Pekín, y a Junjie Niu, Kangpyo So y Chao Wang, del MIT. El trabajo contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos y de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica el respaldo de las opiniones del Foro Económico Mundial.
Para estar al día con la Agenda, suscríbete a nuestro boletín semanal.
Autor: David L. Chandler escribe para MIT News.
Imagen: La batería de iones de litio de Sony para sus portátiles Vaio, fotografiada durante una sesión en su sala de exposición. REUTERS/Kim Kyung-Hoon
