La nueva batería de litio se carga más rápido, reduce el riesgo de explosiones del dispositivo
Investigadores de la Universidad de Texas A&M han inventado una tecnología que puede evitar que las baterías de litio se calienten y fallen
Juran Noh/Texas A&M University College of Engineering
Un esquema que muestra la batería de litio con la nueva arquitectura de nanotubos de carbono para el ánodo
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Las baterías de los teléfonos móviles a menudo se calientan y, a veces, pueden estallar en llamas. En la mayoría de los casos, el culpable de esos incidentes se remonta a las baterías de litio. A pesar de que proporcionan corrientes eléctricas de larga duración que pueden mantener los dispositivos encendidos, las baterías de litio pueden provocar un cortocircuito interno, calentando el dispositivo.
Los investigadores de la Universidad de Texas A&M han inventado una tecnología que puede evitar que las baterías de litio se calienten y fallen. Su diseño de nanotubos de carbono para la placa conductora de la batería, llamado ánodo, permite el almacenamiento seguro de una gran cantidad de iones de litio, reduciendo así el riesgo de incendio. Además, dijeron que su nueva arquitectura anódica ayudará a las baterías de litio a cargarse más rápidamente que las actuales baterías disponibles en el mercado.
«Hemos diseñado la próxima generación de ánodos para baterías de litio que son eficientes en la producción de grandes y sostenidas corrientes necesarias para cargar rápidamente los dispositivos», dijo Juran Noh, un estudiante de postgrado en ciencias de los materiales en el laboratorio del Dr. Choongho Yu en el Departamento de Ingeniería Mecánica J. Mike Walker ’66. «Además, esta nueva arquitectura evita que el litio se acumule fuera del ánodo, lo que con el tiempo puede causar un contacto involuntario entre el contenido de los dos compartimentos de la batería, que es una de las principales causas de las explosiones de los dispositivos».
Sus resultados se publicó en la revista Nano Letters.
Cuando las baterías de litio están en uso, las partículas cargadas se mueven entre los dos compartimentos de la batería. Los electrones cedidos por los átomos de litio se mueven de un lado a otro de la batería. Por otro lado, los iones de litio viajan en la otra dirección. Al cargar la batería, los iones y electrones de litio vuelven a sus compartimentos originales.
Por lo tanto, la propiedad del ánodo, o el conductor eléctrico que alberga los iones de litio dentro de la batería, desempeña un papel decisivo en las propiedades de la misma. Un material de ánodo comúnmente utilizado es el grafito. En estos ánodos, los iones de litio se insertan entre las capas de grafito. Sin embargo, Noh dijo que este diseño limita la cantidad de iones de litio que se pueden almacenar dentro del ánodo e incluso requiere más energía para sacar los iones del grafito durante la carga.
Estas baterías también tienen un problema más insidioso. A veces los iones de litio no se depositan uniformemente en el ánodo. En cambio, se acumulan en la superficie del ánodo en trozos, formando estructuras parecidas a árboles, llamadas dendritas. Con el tiempo, las dendritas crecen y eventualmente perforan el material que separa los dos compartimentos de la batería. Esta ruptura provoca un cortocircuito en la batería y puede hacer que el dispositivo se incendie. Las dendritas crecientes también afectan el rendimiento de la batería al consumir iones de litio, lo que hace que no estén disponibles para generar una corriente.
Noh dijo que otro diseño de ánodo implica el uso de metal de litio puro en lugar de grafito. En comparación con los ánodos de grafito, los que tienen metal de litio tienen un contenido de energía mucho mayor por unidad de masa o densidad de energía. Pero también pueden fallar de la misma manera catastrófica debido a la formación de dendritas.
Para abordar este problema, Noh y sus compañeros diseñaron ánodos usando materiales altamente conductores y ligeros llamados nanotubos de carbono. Estos andamios de nanotubos de carbono contienen espacios o poros para que los iones de litio entren y se depositen. Sin embargo, estas estructuras no se unen a los iones de litio favorablemente.
Por lo tanto, hicieron otros dos ánodos de nanotubos de carbono con una química de superficie ligeramente diferente – uno con una abundancia de grupos moleculares que pueden unirse a los iones de litio y otro que tenía los mismos grupos moleculares pero en menor cantidad. Con estos ánodos, construyeron baterías para probar la propensión a formar dendritas.
Como era de esperar, los investigadores encontraron que los andamios hechos sólo con nanotubos de carbono no se unían bien a los iones de litio. En consecuencia, casi no hubo formación de dendritas, pero la capacidad de la batería para producir grandes corrientes también se vio comprometida. Por otro lado, los andamios con un exceso de moléculas aglutinantes formaron muchas dendritas, acortando la vida de la batería.
Sin embargo, los ánodos de nanotubos de carbono con una cantidad óptima de las moléculas de unión impidieron la formación de dendritas. Además, una gran cantidad de iones de litio podían unirse y extenderse a lo largo de la superficie del andamiaje, potenciando así la capacidad de la batería para producir grandes corrientes sostenidas.
«Cuando los grupos moleculares de unión son abundantes, los grupos de metal de litio hechos de iones de litio terminan obstruyendo los poros de los andamios», dijo Noh. «Pero cuando teníamos la cantidad justa de estas moléculas aglutinantes, podíamos ‘descomprimir’ los andamios de nanotubos de carbono en ciertos lugares, permitiendo que los iones de litio atravesaran y se unieran a toda la superficie de los andamios en lugar de acumularse en la superficie exterior del ánodo y formar dendritas».
Noh dijo que sus ánodos de alto rendimiento manejan corrientes cinco veces más que las baterías de litio disponibles en el mercado. Señaló que esta característica es particularmente útil para las baterías de gran escala, como las utilizadas en los coches eléctricos, que requieren una carga rápida.
«Construir ánodos de metal de litio que sean seguros y tengan una larga vida útil ha sido un desafío científico durante muchas décadas», dijo Noh. «Los ánodos que hemos desarrollado superan estos obstáculos y son un importante paso inicial hacia las aplicaciones comerciales de las baterías de metal de litio».
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