Investigadores de todo el mundo se hallan en busca de baterías que tengan un gran impacto pero que sean más pequeñas y ligeras que las versiones actuales, lo que podría permitir que los autos eléctricos viajen más lejos o que los dispositivos electrónicos portátiles funcionen durante más tiempo sin recargarse. Ahora, los investigadores del MIT y sus socios Samsung Advanced Institute of Technology, el National Key Technologies R&D Program chino y la National Science Foundation china, dicen que han logrado un gran avance en esta área, con una nueva versión de un componente clave para las baterías de litio, el cátodo.
El equipo describe su concepto como un cátodo "híbrido", porque combina aspectos de dos enfoques diferentes que se han utilizado anteriormente, uno para aumentar la producción de energía por kilogramo (densidad de energía gravimétrica), el otro para la energía por litro (densidad de energía volumétrica). La combinación sinérgica, dicen, produce una versión que proporciona los beneficios de ambos y más.
El trabajo se ha descrito en un artículo de la revista Nature Energy, escrito por Ju Li, profesor del MIT de ciencia e ingeniería nuclear y de ciencia e ingeniería de materiales del MIT y otros catorce científicos.
Las baterías de ion-litio de hoy en día tienden a usar cátodos (uno de los dos electrodos de una batería) hechos de un óxido de metal de transición, pero las baterías con cátodos de azufre se consideran una alternativa prometedora para reducir el peso. Hoy en día, los diseñadores de baterías de litio-azufre se enfrentan a una compensación.
Los cátodos de tales baterías generalmente se hacen de una de las dos maneras, conocidas como tipos de intercalación o tipos de conversión. Los tipos de intercalación, que utilizan compuestos tales como el óxido de litio y cobalto, proporcionan una alta densidad de energía volumétrica, empaquetando una gran cantidad de perforación por volumen debido a sus altas densidades. Estos cátodos pueden mantener su estructura y dimensiones mientras incorporan átomos de litio en su estructura cristalina.
El otro enfoque de cátodo, llamado tipo de conversión, utiliza azufre que se transforma estructuralmente e incluso se disuelve temporalmente en el electrolito. "En teoría, estas baterías tienen una densidad de energía gravimétrica muy buena", dice Li. "Pero la densidad volumétrica es baja", en parte porque tienden a requerir una gran cantidad de materiales adicionales, incluido un exceso de electrolito y carbono, utilizados para proporcionar conductividad.
En su nuevo sistema híbrido, los investigadores lograron combinar los dos enfoques en un nuevo cátodo que incorpora un tipo de sulfuro de molibdeno llamado Chevrel-phase y azufre puro, que en conjunto parecen proporcionar los mejores aspectos de ambos. Usaron partículas de los dos materiales y las comprimieron para formar el cátodo sólido. "Es como la imprimación y el TNT en un explosivo, uno de acción rápida y uno con mayor energía por peso", dice Li.
Entre otras ventajas, la conductividad eléctrica del material combinado es relativamente alta, lo que reduce la necesidad de carbono y reduce el volumen general, dice Li. Los cátodos de azufre típicos están compuestos de 20 a 30 por ciento de carbono, dice, pero la nueva versión necesita solo 10 por ciento de carbono.
El efecto neto de usar el nuevo material es sustancial. Las baterías de litio-ion que se comercializan hoy en día pueden tener densidades de energía de aproximadamente 250 vatios-hora por kilogramo y 700 vatios-hora por litro, mientras que las baterías de litio-azufre alcanzan los 400 vatios-hora por kilogramo, pero solo 400 vatios-hora por litro. La nueva versión, en su versión inicial que aún no ha pasado por un proceso de optimización, ya puede alcanzar más de 360 vatios-hora por kilogramo y 581 vatios-hora por litro, dice Li. Puede vencer tanto a las baterías de ion-litio como a las de azufre de litio en términos de la combinación de estas densidades de energía.
Con más trabajo, dice, "creemos que podemos llegar a 400 vatios-hora por kilogramo y 700 vatios-hora por litro", con esta última cifra igual a la de ion-litio. Ya, el equipo ha ido un paso más allá que muchos experimentos de laboratorio destinados a desarrollar un prototipo de batería a gran escala: en lugar de probar celdas de monedas pequeñas con capacidades de solo varios miliamperios-hora, han producido una celda de bolsa de tres capas (un estándar subunidad en baterías para productos como vehículos eléctricos) con una capacidad de más de 1.000 miliamperios por hora. Esto es comparable a algunas baterías comerciales, lo que indica que el nuevo dispositivo coincide con sus características predichas.
Hasta el momento, la nueva celda no puede cumplir con la longevidad de las baterías de ion-litio en términos de la cantidad de ciclos de carga y descarga que puede atravesar antes de perder demasiada energía para ser útil. Pero esa limitación "no es el problema del cátodo"; tiene que ver con el diseño general de la celda y "estamos trabajando en eso", dice Li. "Incluso en su forma actual -dice- esto puede ser útil para algunas aplicaciones de nicho, como un avión no tripulado de largo alcance", donde tanto el peso como el volumen son más importantes que la longevidad.
"Creo que este es un nuevo campo para la investigación", dice Li.
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