Investigadores de todo el mundo han estado buscando baterías que tengan un gran impacto, pero que sean más pequeñas y livianas que las versiones actuales. potencialmente permitiendo que los coches eléctricos viajen más lejos o que los dispositivos electrónicos portátiles funcionen durante más tiempo sin recargarse. Ahora, investigadores del MIT y de China dicen que han logrado un gran avance en esta área, con una nueva versión de un componente clave para baterías de litio, el cátodo.

El equipo describe su concepto como un cátodo "híbrido", porque combina aspectos de dos enfoques diferentes que se han utilizado antes, uno para aumentar la producción de energía por libra (densidad de energía gravimétrica), el otro para la energía por litro (densidad de energía volumétrica). La combinación sinérgica, ellos dicen, produce una versión que proporciona los beneficios de ambos, y más.

El trabajo se describe hoy en la revista. Energía de la naturaleza , en un artículo de Ju Li, un profesor del MIT de ciencia e ingeniería nucleares y de ciencia e ingeniería de materiales; Weijiang Xue, un postdoctorado del MIT; y otras 13 personas.

Las baterías de iones de litio de hoy tienden a usar cátodos (uno de los dos electrodos en una batería) hechos de un óxido de metal de transición, pero las baterías con cátodos de azufre se consideran una alternativa prometedora para reducir el peso. Hoy dia, los diseñadores de baterías de litio-azufre se enfrentan a una disyuntiva.

Los cátodos de tales baterías generalmente se fabrican de dos maneras, conocidos como tipos de intercalación o tipos de conversión. Tipos de intercalación, que utilizan compuestos como el óxido de litio y cobalto, proporcionan una alta densidad de energía volumétrica, empaquetando una gran cantidad de ponche por volumen debido a sus altas densidades. Estos cátodos pueden mantener su estructura y dimensiones mientras incorporan átomos de litio en su estructura cristalina.

El otro enfoque de cátodo, llamado el tipo de conversión, utiliza azufre que se transforma estructuralmente e incluso se disuelve temporalmente en el electrolito. "Teóricamente, estas [baterías] tienen una densidad de energía gravimétrica muy buena, ", Dice Li." Pero la densidad volumétrica es baja, "en parte porque tienden a requerir muchos materiales adicionales, incluyendo un exceso de electrolito y carbono, utilizado para proporcionar conductividad.

En su nuevo sistema híbrido, los investigadores han logrado combinar los dos enfoques en un nuevo cátodo que incorpora tanto un tipo de sulfuro de molibdeno llamado fase Chevrel, y azufre puro, que en conjunto parecen proporcionar los mejores aspectos de ambos. Utilizaron partículas de los dos materiales y las comprimieron para hacer el cátodo sólido. "Es como la cartilla y TNT en un explosivo, uno de acción rápida, y uno con mayor energía por peso, "Li dice.

Entre otras ventajas, la conductividad eléctrica del material combinado es relativamente alta, reduciendo así la necesidad de carbono y bajando el volumen total, Dice Li. Los cátodos de azufre típicos se componen de 20 a 30 por ciento de carbono, él dice, pero la nueva versión necesita solo un 10 por ciento de carbono.

El efecto neto de utilizar el nuevo material es sustancial. Las baterías comerciales de iones de litio de hoy en día pueden tener densidades de energía de aproximadamente 250 vatios-hora por kilogramo y 700 vatios-hora por litro. mientras que las baterías de litio-azufre alcanzan un máximo de 400 vatios-hora por kilogramo, pero solo 400 vatios-hora por litro. La nueva versión en su versión inicial que aún no ha pasado por un proceso de optimización, ya puede alcanzar más de 360 ​​vatios-hora por kilogramo y 581 vatios-hora por litro, Dice Li. Puede vencer tanto a las baterías de iones de litio como a las de litio-azufre en términos de la combinación de estas densidades de energía.

Con más trabajo, él dice, "creemos que podemos llegar a 400 vatios-hora por kilogramo y 700 vatios-hora por litro, "con esa última cifra igual a la de iones de litio. Ya, el equipo ha ido un paso más allá que muchos experimentos de laboratorio destinados a desarrollar un prototipo de batería a gran escala:en lugar de probar pequeñas pilas de botón con capacidades de solo varios miliamperios-hora, han producido una celda de bolsa de tres capas (una subunidad estándar en baterías para productos como vehículos eléctricos) con una capacidad de más de 1, 000 miliamperios-hora. Esto es comparable a algunas baterías comerciales, lo que indica que el nuevo dispositivo coincide con las características previstas.

Hasta aquí, la nueva celda no puede estar a la altura de la longevidad de las baterías de iones de litio en términos de la cantidad de ciclos de carga y descarga que puede atravesar antes de perder demasiada energía para ser útil. Pero esa limitación "no es problema del cátodo"; tiene que ver con el diseño general de la celda, y "estamos trabajando en eso, ", Dice Li. Incluso en su forma temprana actual, él dice, "esto puede resultar útil para algunas aplicaciones específicas, como un dron de largo alcance, "donde tanto el peso como el volumen importan más que la longevidad.

"Creo que este es un nuevo escenario para la investigación, "Li dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.