La batería de iones de litio lo alimenta todo, desde los teléfonos móviles hasta los ordenadores portátiles y por supuesto los vehículos eléctricos. Por eso, los científicos de todo el mundo están siempre a la caza de nuevos y mejores componentes para construir mejores baterías para estas y otras aplicaciones.
Ahora, científicos del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) informan de un nuevo diseño de electrodo para la batería de iones de litio que utiliza materiales de bajo coste como el plomo y el carbono.
Entre los colaboradores de este descubrimiento fundamental se encuentran también científicos de la Universidad Northwestern, el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Brookhaven National Laboratory) y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST).
“Nuestro nuevo ánodo podría ofrecer una nueva fuente de ingresos para la gran industria que actualmente se dedica a la fabricación y el reciclaje de baterías de plomo-ácido”. – Eungje Lee, autor principal y científico de materiales de la división de Ciencias Químicas e Ingeniería de Argonne
“Nuestra investigación tiene interesantes implicaciones para el diseño de baterías de iones de litio sostenibles, de bajo coste y alto rendimiento, que puedan alimentar vehículos híbridos y totalmente eléctricos”, dijo Eungje Lee, autor principal y científico de materiales en la división de Ciencias Químicas e Ingeniería (Chemical Sciences and Engineering, CSE) de Argonne.
Las baterías de iones de litio funcionan mediante la inserción de iones de litio en el ánodo durante la carga y su eliminación durante la descarga. Los ánodos de grafito actuales pueden funcionar durante miles de esos ciclos de carga y descarga, pero parecen haber alcanzado su límite en cuanto a capacidad de almacenamiento de energía.
“Decidimos investigar el plomo como una interesante alternativa al grafito para el material del ánodo”, dijo Lee. El plomo es especialmente atractivo porque es abundante y barato. Además, tiene una cadena de suministro bien establecida debido a la larga historia de las baterías de plomo-ácido que proporcionan energía auxiliar a los automóviles y es uno de los materiales más reciclados del mundo. La tasa actual de reciclaje de plomo es del 99% en Estados Unidos.
“Nuestro nuevo ánodo podría ofrecer una nueva fuente de ingresos para la gran industria que actualmente se dedica a la fabricación y el reciclaje de baterías de plomo-ácido”, añadió Lee.
El ánodo del equipo no es una simple muestra de plomo, sino innumerables partículas microscópicas con una estructura intrincada: nanopartículas de plomo incrustadas en una matriz de carbono y rodeadas por una fina capa de óxido de plomo. Aunque esta estructura parece compleja, el equipo inventó un método sencillo y de bajo coste para fabricarla.
“Nuestro método consiste en agitar, durante varias horas, grandes partículas de óxido de plomo mezcladas con polvo de carbono hasta formar partículas microscópicas con la estructura de núcleo y envoltura deseada”, explicó Christopher Johnson, investigador principal del proyecto y miembro distinguido de Argonne en la división CSE.
Las pruebas realizadas en las celdas de laboratorio a lo largo de 100 ciclos de carga y descarga demostraron que el nuevo ánodo de nanocompuesto a base de plomo alcanzaba el doble de capacidad de almacenamiento de energía que los ánodos de grafito actuales (normalizados para el mismo peso).
El rendimiento estable durante los ciclos fue posible porque el pequeño tamaño de las partículas aliviaba las tensiones, mientras que la matriz de carbono proporcionaba la conductividad eléctrica necesaria y actuaba como amortiguador contra la dañina expansión de volumen durante los ciclos. El equipo también descubrió que la adición de una pequeña cantidad de carbonato de fluoroetileno al electrolito estándar mejoraba significativamente el rendimiento.
Los investigadores estudiaron el mecanismo de carga-descarga de su ánodo en el Centro GeoSoilEnviro para Fuentes de Radiación Avanzadas (GSECARS), operado por la Universidad de Chicago, en la Advanced Photon Source de Argonne, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE. Mediante la difracción de rayos X de sincrotrón, pudieron seguir los cambios de fase del material del ánodo mientras se cargaba y descargaba.
Estos resultados de caracterización, combinados con los recogidos en el Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Center y en el National Synchrotron Light Source II, una instalación de usuario del DOE en Brookhaven, revelaron una reacción electroquímica hasta ahora desconocida entre los iones de plomo y de litio que se produce durante la carga y la descarga.
“Esta información fundamental puede ser importante para entender el mecanismo de reacción no sólo del plomo sino también de los ánodos de silicio”, dijo Lee. El ánodo de silicio es otro candidato de bajo coste y alto rendimiento para la próxima generación de baterías de iones de litio.
“Nuestro descubrimiento desafía la comprensión actual de este tipo de material de electrodos”, señaló Johnson. “Nuestros hallazgos también aportan implicaciones interesantes para el diseño de materiales de ánodos de bajo coste y alto rendimiento para el transporte y el almacenamiento de energía estacionaria, como la energía auxiliar para la red eléctrica”.
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