El grafeno acelera carga y amplía duración en baterías de ion-litio

   MADRID, 25 Nov. (EUROPA PRESS) -

   Un nuevo método para recubrir los cátodos de las baterías de iones de litio con grafeno prolonga la vida útil y el rendimiento de estas baterías recargables de uso generalizado.

   Este hallazgo puede reducir la dependencia del cobalto, un elemento que se utiliza con frecuencia en las baterías de iones de litio y que es difícil de obtener de forma sostenible.

   El científico investigador sénior de Caltech, David Boyd, ha trabajado durante la última década para desarrollar técnicas para fabricar grafeno, una capa de carbono de un átomo de espesor que es increíblemente fuerte y conduce la electricidad con mayor facilidad que materiales como el silicio. En 2015, Boyd y sus colegas descubrieron que se podía producir grafeno de alta calidad a temperatura ambiente. Antes de esto, la producción de grafeno requería temperaturas extremadamente altas, de hasta 1.000 grados Celsius.

   Después de este avance, se inició la búsqueda de nuevas aplicaciones para el grafeno. Recientemente, Boyd se asoció con Will West, un tecnólogo del JPL (Jet Propulsion Laboratory), que Caltech administra para la NASA. West se especializa en electroquímica y, en particular, en el desarrollo de tecnologías mejoradas para baterías. Boyd y West se propusieron ver si el grafeno podía crear una batería de iones de litio mejorada. Ahora han demostrado que sí.

   "Demostrar una tendencia confiable en el rendimiento de las celdas de batería requiere materiales consistentes, ensamblaje de celdas consistente y pruebas cuidadosas en una variedad de condiciones", dice en un comunicado Brent Fultz, profesor de Ciencia de Materiales y Física Aplicada en Caltech. "Es una suerte que el equipo haya podido hacer este trabajo de manera tan reproducible, aunque llevó algún tiempo estar seguro".

   La batería de iones de litio, introducida por primera vez en el mercado en 1991, ha revolucionado la forma en que usamos la electricidad en nuestra vida diaria. Desde nuestros teléfonos celulares hasta los vehículos eléctricos, dependemos de las baterías de iones de litio como una fuente de energía comparativamente barata, energéticamente eficiente y, lo más importante, recargable en movimiento.

   A pesar de sus éxitos, hay margen de mejora en la tecnología de baterías de iones de litio. Por ejemplo, Boyd afirma: "Los ingenieros de Tesla quieren una batería rentable que pueda cargarse rápidamente y funcionar durante un período de tiempo más largo entre cargas. Eso se llama capacidad de velocidad de carga".

   West añade: "Cuantas más veces se pueda cargar una batería durante su vida útil, menos baterías habrá que utilizar. Esto es importante porque las baterías de iones de litio utilizan recursos limitados y desechar las celdas de iones de litio de forma segura y eficaz es una tarea muy difícil".

   Una característica importante de las baterías de iones de litio es su rendimiento después de muchos ciclos de carga y uso. Las baterías funcionan creando energía química entre los dos extremos de la batería (el cátodo y el ánodo) y convirtiéndola en energía eléctrica. A medida que las sustancias químicas del cátodo y las del ánodo funcionan con el tiempo, es posible que no recuperen por completo su estado original. Un problema común es la disolución de los metales de transición del material del cátodo, que es especialmente grave en los materiales del cátodo con un alto contenido de manganeso, aunque menos grave en los materiales del cátodo con un alto contenido de cobalto.

   "Como resultado de las reacciones secundarias no deseadas que ocurren durante el ciclo, los metales de transición en el cátodo terminan gradualmente en el ánodo, donde se atascan y reducen el rendimiento del ánodo", explica Boyd. Esta disolución de metales de transición (TMD) es una razón por la que se utilizan cátodos costosos que contienen cobalto en lugar de cátodos económicos con alto contenido de manganeso.

   Otro desafío para las baterías de iones de litio es que requieren metales que son caros, escasos y no siempre extraídos de manera responsable. Una cantidad significativa del suministro mundial de cobalto, en particular, se concentra en la República Democrática del Congo, y gran parte de ese cobalto es extraído por los llamados mineros artesanales: trabajadores autónomos, incluidos niños, que realizan trabajos físicos peligrosos y exigentes por poco o ningún salario.

   Se han buscado formas de aumentar el rendimiento de las baterías y, al mismo tiempo, reducir o eliminar el uso de cobalto y seguir previniendo la TMD.

   Los ingenieros sabían que los recubrimientos de carbono en el cátodo de una batería de iones de litio podían ralentizar o detener la DTM, pero resultó difícil desarrollar un método para aplicar estos recubrimientos. "Los investigadores han intentado depositar grafeno directamente sobre el material del cátodo, pero las condiciones del proceso que normalmente se necesitan para depositar grafeno destruirían el material del cátodo", explica Boyd.

   "Investigamos una nueva técnica para depositar grafeno sobre las partículas del cátodo llamada recubrimiento en seco. La idea es tener una sustancia 'anfitriona' de partículas grandes y una sustancia 'invitada' de partículas diminutas. Al mezclarlas en determinadas condiciones, el sistema puede experimentar un fenómeno conocido como 'mezcla ordenada', en el que las partículas invitadas recubren uniformemente las partículas anfitrionas".

   La tecnología de recubrimiento en seco se utiliza desde los años 70 en la industria farmacéutica para prolongar la vida útil de los comprimidos protegiéndolos de la humedad, la luz y el aire.   

   El recubrimiento en seco del cátodo con un compuesto de grafeno resultó exitoso en el laboratorio. El recubrimiento de grafeno redujo drásticamente la TMD, duplicó simultáneamente la vida útil de la batería y permitió que las baterías funcionaran en un rango de temperaturas algo más amplio que el que era posible anteriormente. Este resultado sorprendió a los investigadores. Se suponía que solo un recubrimiento continuo podía suprimir la TMD y que un recubrimiento seco compuesto de partículas no podía hacerlo. Además, como el grafeno es una forma de carbono, está ampliamente disponible y es respetuoso con el medio ambiente.