Investigadores de Stanford crean nuevos materiales para baterías de ion-litio ultraligeros y resistentes al fuego

Los nuevos materiales compuestos, desarrollados por investigadores de la Universidad de Stanford, podrían ser la clave para las baterías de iones de litio ultraligeras y resistentes al fuego, desbloqueando el potencial de baterías más seguras y de mayor capacidad para vehículos eléctricos y un aumento del 20% en la eficiencia.

El equipo de investigadores con sede en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford ha utilizado materiales compuestos innovadores en baterías de iones de litio, que han permitido la misma cantidad de almacenamiento de energía al tiempo que reducen significativamente el peso de las baterías y ofrecen mejoras en la seguridad frente al fuego.

En un artículo publicado en la revista Nature Energy , el equipo de investigación detalló cómo se enfocaron en los componentes del 'colector de corriente' dentro de las baterías de iones de litio, que ayudan en el proceso de carga y descarga de las baterías, pero no contribuyen a la cantidad de energía que puede ser guardada.

Los investigadores dijeron que los colectores de corriente, que generalmente están hechos de metales como el cobre o el aluminio, contribuyen entre el 15 y el 50 por ciento al peso de una batería de iones de litio, y que al lograr reducciones en este peso sería posible realizar mejoras sustanciales en la densidad de energía de los dispositivos de batería.

“Nuestra estrategia para el diseño de colectores de corriente de próxima generación es muy prometedora para aplicaciones prácticas de baterías al proporcionar baterías de litio más seguras con energías específicas aún mayores”, dice el documento.

El equipo, dirigido por el profesor Yi Cui de Stanford, utilizó materiales compuestos innovadores que utilizan poliimida para lograr el mismo nivel de rendimiento, al tiempo que redujo drásticamente el peso. Los investigadores estimaron que los nuevos colectores de corriente proporcionarían un impulso de entre el 16 y el 26 por ciento a la densidad de energía de las baterías de iones de litio.

“El colector de corriente siempre se ha considerado un peso muerto, y hasta ahora no se ha explotado con éxito para aumentar el rendimiento de la batería”, dijo el profesor Yi Cui. “Pero en nuestro estudio, hacer que el colector sea un 80% más ligero aumentó la densidad de energía de las baterías de iones de litio en un 16-26%. Eso es un gran salto en comparación con el aumento promedio del 3% logrado en los últimos años".

En su artículo, los investigadores dicen que los colectores de corriente tienen un papel importante en el rendimiento de la batería, pero tienen una contribución desproporcionada al peso de la batería, particularmente sin aumentar la capacidad de almacenamiento de la batería.

“Aunque los colectores de corriente en las baterías juegan un papel crítico en la transferencia de electrones eficiente y el soporte mecánico para los materiales de los electrodos, generalmente son componentes inactivos que causan un peso muerto considerable pero no contribuyen a la capacidad de la celda. Por lo tanto, la industria de las baterías intenta constantemente disminuir el grosor de estas láminas metálicas para lograr un colector de corriente liviano”, dice el documento.

Los investigadores también pudieron incorporar una capa de retardante de llama a base de fosfato de trifenilo, que tiene solo 9 micrómetros de espesor y está intercalada entre capas súper delgadas de cobre, lo que permite que los materiales autoextingan cualquier incendio que pueda desencadenarse dentro de las baterías, como cuando se produce un cortocircuito, proporcionando una mejora significativa en la seguridad de las baterías.

“La gente también ha intentado agregar retardante de fuego al electrolito de la batería, que es la parte inflamable, pero solo se puede agregar una cantidad limitada antes de que se vuelva viscoso y deje de conducir bien los iones”, agregó el profesor Cui.

Mediante el uso de un enfoque de materiales compuestos, donde los colectores de corriente de cobre se colocaron en capas sobre el material retardante del fuego, los investigadores pudieron usar capas de cobre de solo 500 nanómetros de espesor, lo que permitió una reducción de siete veces en la cantidad de cobre utilizada en la batería

Es probable que la investigación contribuya al desarrollo de baterías de iones de litio más livianas, que ha sido un requisito fundamental para los vehículos eléctricos, donde el almacenamiento de la batería representa una proporción significativa del peso del vehículo.