La compañía francesa Nawa technologies dice que ya está en producción un nuevo diseño de electrodo que puede aumentar radicalmente el rendimiento de las químicas de batería existentes y futuras, entregando hasta 3 veces más densidad de energía, 10 veces más potencia, una carga de batería mucho más rápida y una vida útil hasta cinco veces mayor.
Nawa ya es conocida por su trabajo en el mercado de los ultracondensadores, y la empresa ha anunciado que los mismos electrodos de alta tecnología que utiliza en esos ultracondensadores pueden adaptarse a las baterías de iones de litio de generación actual, entre otras, para obtener unos beneficios tremendos que cambien el panorama.
Todo se reduce a la forma en que el material activo se mantiene en el electrodo, y la ruta que los iones de ese material tienen que tomar para entregar su carga. El típico electrodo de carbón activado de hoy en día está hecho con una mezcla de polvos, aditivos y aglutinantes.
Cuando se utilizan nanotubos de carbono, normalmente se pegan de forma desordenada, como si fueran “espaguetis enredados”. Esto da a los iones portadores de la carga un camino aleatorio, caótico y frecuentemente bloqueado para atravesar en su camino hacia el colector de corriente bajo carga.
Los nanotubos de carbono alineados verticalmente de Nawa, por otro lado, crean una estructura anódica o catódica más parecida a un cepillo de pelo, con cien mil millones de nanotubos rectos y altamente conductores que sobresalen de cada centímetro cuadrado. Cada uno de estos diminutos polos, firmemente arraigados, se recubre con material activo, ya sea de iones de litio o de otra cosa.
El resultado es una drástica mejora en la trayectoria de los iones – la distancia que la carga debe recorrer para entrar o salir de la batería – ya que cada gota de litio está más o menos directamente unida a un nanotubo, que actúa como una autopista en línea recta y parte del colector de corriente.
“La distancia que el ión necesita recorrer es de sólo unos pocos nanómetros a través del material de litio“, nos dice el fundador y director técnico de Nawa, Pascal Boulanger, “en lugar de los micrómetros con un simple electrodo”.
Figura 1. Los beneficios se refieren a la distancia que tiene un ion para llevar su carga; a la izquierda, una representación de una estructura de electrodo caótica típica a través de la cual un ión tiene que viajar largas y tortuosas distancias. A la derecha, la estructura rígida de una estructura de nanotubos de carbono alineada verticalmente, que une cada pequeña gota de material activo y los iones dentro directamente al colector de corriente. Fuente: Nawa Technologies.
Esto aumenta radicalmente la densidad de energía – la capacidad de la batería para proporcionar una rápida carga y descarga – en un factor de hasta 10x, lo que significa que las baterías más pequeñas pueden emitir 10 veces más energía, y los tiempos de carga de estas baterías pueden reducirse igual de drásticamente. Nawa dice que una carga de cinco minutos debería ser capaz de llevarte de 0 a 80% si se cuenta con la infraestructura de carga adecuada.
Además, debido a que hay huecos en ese andamiaje ultraligero de nanotubos y menos materiales extraños de unión y aditivos, una batería que contenga una cantidad determinada de material activo puede llegar a ser mucho, mucho más ligera y compacta. La densidad de energía, tanto por peso como por volumen, puede saltar por factores de 2-3.
Ah, y la estructura rígida y la vasta superficie de ese conjunto de nanotubos, así como la amplia distribución de minúsculas gotas de litio adheridas a él, eliminan una serie de factores que hacen que las baterías se agoten, pierdan rendimiento y mueran con el tiempo. Nawa dice que la vida útil de una batería debería ser cinco veces mayor usando esta tecnología.
“Fabricar una batería es muy difícil”, dice Boulanger. “Tienes que dominar muchos parámetros. Pero si quieres dominar esos parámetros, necesitas tener la mayor conductividad eléctrica. Necesitas tener la mayor conductividad térmica. Necesitas tener la mayor conductividad iónica. Y eso es exactamente lo que nuestro material puede aportar a los fabricantes de baterías”.
En este punto, esperábamos encontrar una trampa, así que nos pusimos en contacto con el Dr. Cameron Shearer, investigador de la Escuela de Ciencias Químicas y Físicas de la Universidad de Flinders, Australia del Sur, y experto independiente en tecnologías de baterías y nanotubos de carbono.
“La investigación ha demostrado que los nanotubos de carbono alineados verticalmente – o incluso bien distribuidos – tienen propiedades mucho mayores que los nanotubos de carbono colocados al azar“, dijo el Dr. Shearer.
“No me sorprende que un x10 en conductividad sea posible. Controlar la colocación de los nanotubos de carbono es realmente la manera de liberar su potencial. El problema en la comercialización es el costo asociado con la producción de nanotubos de carbono alineados. Mi conjetura es que el costo sería mucho más que x10”.
Le planteamos la cuestión del coste a Nawa. “¡La pregunta del millón de dólares!” dijo Boulanger. “Aquí hay una respuesta de un millón de dólares: el proceso que estamos usando es el mismo que se usa para cubrir los vidrios con capas anti-reflejantes, y para la energía fotovoltaica. que ya es muy barato En grandes volúmenes, como esos procesos, sí”, añadió el CEO de Nawa, Ulrik Grape.
“Estamos firmemente convencidos de que esto será competitivo en costos con los electrodos existentes.”
“Sólo para darles algunas cifras,” continúa Boulanger, “el coste de depositar un revestimiento antirreflectante dentro de un panel fotovoltaico es de unos pocos céntimos por metro cuadrado. Es lo mismo, sólo depositamos nuestro material, porque hemos dominado el proceso. La tasa de crecimiento de los nanotubos de carbono alineados verticalmente se conoce como muy, muy rápida. Podemos hacer crecer nanotubos alineados verticalmente hasta, digamos, 100 micrones por minuto. Sólo se necesita un minuto en el horno. Hemos escalado este proceso en superficies muy grandes, y con un proceso que funciona a presión atmosférica, a menor temperatura, podemos hacerlo un poco como hacer un periódico. No tan rápido, pero casi la misma idea.”
Pueden ser células cilindricas o planas y no tiene por qué ser con iones de litio
La compañía ha pasado su unidad piloto y ahora tiene una unidad de producción completa en funcionamiento, suministrando nanotubos de carbono alineados verticalmente para sus dispositivos de ultracondensadores. Nawa dice que la tecnología de electrodos es más o menos agnóstica; se puede utilizar en células cilíndricas o en células planas de todos los tamaños.
Y tampoco tiene que ser de iones de litio. La empresa ha desarrollado procesos para hacer los nanotubos más compatibles con una serie de materiales activos, incluyendo el silicio, el níquel-manganeso-cobalto y la química del azufre, y algunos otros más exóticos que está explorando con fabricantes de células específicas.
En algunos casos, dice Nawa, elimina los problemas que han estado frenando ciertas otras químicas de las baterías. Las baterías con base de silicio, por ejemplo, podrían ofrecer alrededor del doble de la densidad de energía del ión-litio, pero el material activo crece hasta cuatro veces su tamaño a medida que se carga y se encoge de nuevo al descargarse, causando problemas mecánicos que conducen a las grietas. Como resultado, puede que tengas suerte si consigues 50 cargas de una batería de silicio antes de que muera.
Para más información visite: New Atlas / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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