Nuevos ánodos ayudan al litio

Este artículo es parte de nuestra serie exclusiva IEEE Journal Watch en asociación con IEEE Xplore.

Los investigadores han creado un nuevo diseño de batería de iones de litio que permite un mejor flujo de electrones a través de su ánodo, mejorando drásticamente la capacidad de la batería y reduciendo a la mitad el tiempo que tarda en cargarse. El avance se describe en un estudio publicado el 14 de abril en el IEEE Journal on Flexible Electronics.

Los vehículos eléctricos son una forma clave de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Pero las baterías de iones de litio de estos automóviles aún tardan un poco en cargarse, lo que puede disuadir a algunas personas de adoptar la tecnología.

"Existe una gran necesidad de innovación en baterías que puedan ofrecer una capacidad de carga rápida con una vida útil [de la batería] más larga", dice Himanaga Emani, Ph.D. asistente de investigación en el departamento de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Western Michigan y que participó en el estudio.

Actualmente, las baterías de iones de litio utilizadas en los vehículos eléctricos tienen ánodos de grafito, pero los investigadores han estado explorando el uso de otros materiales, como el grafeno. El grafeno está formado por finas capas de carbono, que supera al grafito como conductor de electricidad. Sin embargo, el simple uso de diferentes materiales puede no ser suficiente para dar a las baterías el impulso de carga necesario.

Los investigadores descubrieron que perforar las redes de poros secundarios (SPN) a escala micrométrica [izquierda] en el ánodo de la batería mejoró la tasa de carga general de la batería y la capacidad de retención. Universidad de West Michigan/IEEE

Por lo tanto, Emani y su equipo utilizaron la estructuración por láser para crear una red de poros a lo largo de su nuevo ánodo de grafeno. Estos diminutos agujeros permiten que los electrones fluyan más fácilmente a través del ánodo, lo que lleva a un tiempo de carga más rápido. Mientras que las baterías de iones de litio comerciales actuales con ánodos de grafito tienen una capacidad teórica de 372 miliamperios-hora por gramo, el nuevo ánodo de grafeno propuesto por los investigadores con sus poros puede ofrecer una capacidad de más de 700 mAh/g.

Los investigadores probaron su nuevo ánodo en una serie de experimentos con tiempos de carga entre 10 minutos y 2 horas a temperatura ambiente. Los resultados muestran que, durante periodos de carga superiores a una hora, los nuevos ánodos con poros no tuvieron ningún efecto significativo sobre la capacidad de la batería en comparación con los ánodos convencionales. Pero cuando los tiempos de carga eran inferiores a una hora, el ánodo de grafeno con poros era el doble de rápido que los ánodos convencionales.

"En términos simples, una batería comercial que podría tardar una hora en cargarse podría cargarse en menos de 30 minutos, según nuestros resultados", dice Emani.

Es importante destacar que las baterías nuevas conservan su capacidad después de un uso repetido. Por lo general, las baterías pierden su capacidad a medida que pasan por varios ciclos de carga. En este estudio, las células con esporas mostraron una retención de capacidad superior (cerca del 90 por ciento) en comparación con las células sin poros (solo el 38 por ciento) después de 200 ciclos de carga.

Este estudio analizó los nuevos ánodos en forma de celdas tipo moneda a temperatura ambiente, señala Emani. "Antes de pasar al mercado, nos gustaría probar estas baterías en celdas de bolsa, cilíndricas y prismáticas, ya que estos son los tipos básicos más utilizados de configuraciones de batería [utilizadas] en vehículos eléctricos".

El equipo también está interesado en estudiar estos ánodos porosos a diferentes temperaturas. "Este es un parámetro clave, ya que las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos experimentan una amplia gama de temperaturas según la ubicación geográfica, el clima, las estaciones, para mejorar aún más el rendimiento de las baterías en condiciones adversas", dice.