Un material estable para el ánodo, fabricado con polímeros de origen biológico, podría facilitar la carga rápida de las baterías de los vehículos eléctricos.
Ante la preocupación por el cambio climático, un número cada vez mayor de investigadores se centra en mejorar los vehículos eléctricos (EVs, por sus siglas en inglés) para convertirlos en una alternativa más atractiva a los coches de gasolina convencionales.
La mejora de las baterías de los vehículos eléctricos es, por tanto, una cuestión clave. Además de seguridad, autonomía y durabilidad, la mayoría de la gente quiere rapidez en la carga.
En la actualidad, los EVs de última generación tardan 40 minutos en recargarse, mientras que los coches de gas pueden “recargarse” en no más de cinco minutos. El tiempo de carga tiene que ser inferior a 15 minutos para ser una opción viable.
Las baterías de iones de litio (Lithium-ion batteries, LIB, por sus siglas en inglés), que se utilizan en todas partes con dispositivos electrónicos portátiles, son una opción en el campo de los vehículos eléctricos, y siempre se buscan nuevas estrategias para mejorar su rendimiento.
Por ejemplo, una forma de acortar el tiempo de carga de las LIBs es aumentar la velocidad de difusión de los iones de litio, lo que puede conseguirse incrementando la distancia entre capas en los materiales basados en el carbono utilizados en el ánodo de la batería.
Aunque esto se ha conseguido con cierto éxito introduciendo impurezas de nitrógeno (lo que técnicamente se denomina dopaje de nitrógeno), no hay ningún método fácilmente disponible para controlar la distancia entre capas o para concentrar el elemento de dopaje.
En este contexto, un equipo de científicos del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ha desarrollado recientemente un método de fabricación de ánodos que podría conducir a una carga extremadamente rápida en las baterías de litio.
El equipo, dirigido por el profesor Noriyoshi Matsumi, está formado por el profesor Tatsuo Kaneko, el profesor titular Rajashekar Badam, el especialista técnico del JAIST Koichi Higashimine, la investigadora del JAIST Yueying Peng y la estudiante del JAIST Kottisa Sumala Patnaik. Sus resultados se publicaron en línea el 24 de noviembre de 2021 en el Chemical Communications.
Su estrategia constituye una forma relativamente sencilla, respetuosa con el medio ambiente y muy eficiente de producir un ánodo basado en el carbono con un contenido muy alto de nitrógeno. El material precursor del ánodo es el poli (benzimidazol), un polímero de base biológica que puede sintetizarse a partir de materias primas de origen biológico.
Calcinando este material térmicamente estable a 800 °C, el equipo consiguió preparar un ánodo de carbono con un contenido de nitrógeno del 17% en peso, lo que supone un récord. Comprobaron el éxito de la síntesis de este material y estudiaron su composición y propiedades estructurales mediante diversas técnicas, como la microscopía electrónica de barrido en túnel, la espectroscopia Raman y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.
Figura 1. Algunas de las características clave que hacen que el material propuesto sea ideal para la carga rápida son su alto contenido en nitrógeno y el mayor espacio entre capas, que en conjunto permiten una cinética más rápida del ión litio tanto a través de las capas como entre ellas. Además, el material del ánodo propuesto es muy estable y conserva la mayor parte de su capacidad original incluso después de miles de ciclos. Crédito: Noriyoshi Matsumi del JAIST
Para comprobar el rendimiento de su ánodo y compararlo con el grafito más común, los investigadores construyeron medias celdas y celdas completas, y realizaron experimentos de carga y descarga. Los resultados fueron muy prometedores, ya que el material del ánodo propuesto demostró ser adecuado para la carga rápida, gracias a su mejor cinética de iones de litio.
Además, las pruebas de durabilidad demostraron que las baterías con el material anódico propuesto conservaban alrededor del 90% de su capacidad inicial incluso después de 3.000 ciclos de carga-descarga a altas velocidades, lo que es considerablemente más que la capacidad retenida por las celdas basadas en grafito.
Entusiasmado con los resultados, el profesor Matsumi afirma: “La velocidad de carga extremadamente rápida con el material anódico que hemos preparado podría hacerlo apto para su uso en vehículos eléctricos”.
“Es de esperar que unos tiempos de carga mucho más cortos atraigan a los consumidores a elegir los vehículos eléctricos en lugar de los de gasolina, lo que en última instancia conducirá a un entorno más limpio en todas las grandes ciudades del mundo”, siguió comunicando el profesor Matsumi.
Otra ventaja notable del material anódico propuesto es el uso de un polímero de origen biológico en su síntesis. Al tratarse de una tecnología de bajas emisiones de carbono, el material produce naturalmente un efecto sinérgico que reduce aún más las emisiones de CO2.
Además, como dice el profesor Matsumi, “el uso de nuestro enfoque hará avanzar el estudio de las relaciones estructura-propiedad en materiales anódicos con capacidad de carga-descarga rápida”.
Las modificaciones de la estructura del precursor del polímero podrían conducir a un rendimiento aún mayor, lo que podría ser relevante para las baterías no sólo de los vehículos eléctricos, sino también de los aparatos electrónicos portátiles. Por último, el desarrollo de baterías altamente duraderas disminuirá el consumo mundial de metales raros, que son recursos no renovables.
Noticia tomada de: Phys / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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