Los investigadores han identificado un grupo de materiales que podrían usarse para fabricar baterías de mayor potencia. Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, utilizó materiales con una estructura cristalina compleja y descubrió que los iones de litio se mueven a través de ellos a velocidades que superan con creces las de los materiales típicos de electrodos, lo que equivale a una batería de carga mucho más rápida.

Aunque estos materiales, conocidos como óxidos de niobio y tungsteno, no dan como resultado densidades de energía más altas cuando se utilizan con velocidades de ciclo típicas, vienen por su cuenta para aplicaciones de carga rápida. Adicionalmente, su estructura física y comportamiento químico brindan a los investigadores una valiosa información sobre cómo Se podría construir una batería de carga súper rápida, y sugieren que la solución a las baterías de próxima generación puede provenir de materiales no convencionales. Los resultados se informan en la revista. Naturaleza .

Muchas de las tecnologías que usamos todos los días se han vuelto más pequeñas, más rápido y más barato cada año, con la notable excepción de las baterías. Aparte de la posibilidad de un teléfono inteligente que podría cargarse completamente en minutos, Los desafíos asociados con la fabricación de una mejor batería están frenando la adopción generalizada de dos importantes tecnologías limpias:los automóviles eléctricos y el almacenamiento a escala de red para energía solar.

"Siempre estamos buscando materiales con un rendimiento de batería de alta velocidad, lo que daría como resultado una carga mucho más rápida y también podría ofrecer una salida de alta potencia, "dijo el Dr. Kent Griffith, investigador postdoctoral en el Departamento de Química de Cambridge y primer autor del artículo.

En su forma más simple, Las baterías están formadas por tres componentes:un electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito. Cuando una batería se está cargando, Los iones de litio se extraen del electrodo positivo y se mueven a través de la estructura cristalina y el electrolito hasta el electrodo negativo. donde se almacenan. Cuanto más rápido ocurra este proceso, cuanto más rápido se pueda cargar la batería.

En la búsqueda de nuevos materiales para electrodos, los investigadores normalmente tratan de hacer las partículas más pequeñas. "La idea es que si acorta la distancia que tienen que viajar los iones de litio, debería ofrecerle un rendimiento de tasa más alto, ", dijo Griffith." Pero es difícil hacer una batería práctica con nanopartículas:obtienes muchas más reacciones químicas no deseadas con el electrolito, para que la batería no dure tanto, además, es caro de hacer ".

"Las nanopartículas pueden ser difíciles de hacer, por eso estamos buscando materiales que tengan inherentemente las propiedades que buscamos, incluso cuando se utilizan como partículas comparativamente grandes de micrones. Esto significa que no tiene que pasar por un proceso complicado para hacerlos, que mantiene los costos bajos, "dijo la profesora Clare Gray, también del Departamento de Química y autor principal del artículo. "Las nanopartículas también son un desafío para trabajar en un nivel práctico, ya que tienden a ser bastante 'esponjosos', por lo que es difícil empacarlos bien juntos, que es clave para la densidad de energía volumétrica de una batería ".

Los óxidos de niobio y tungsteno utilizados en el trabajo actual tienen una estructura rígida, estructura abierta que no atrapa el litio insertado, y tienen tamaños de partículas más grandes que muchos otros materiales de electrodos. Griffith especula que la razón por la que estos materiales no han recibido atención anteriormente está relacionada con sus complejos arreglos atómicos. Sin embargo, sugiere que la complejidad estructural y la composición de metales mixtos son las razones por las que los materiales exhiben propiedades de transporte únicas.

"Muchos materiales de batería se basan en las mismas dos o tres estructuras cristalinas, pero estos óxidos de niobio y tungsteno son fundamentalmente diferentes, "dijo Griffith. Los óxidos se mantienen abiertos por 'pilares' de oxígeno, lo que permite que los iones de litio se muevan a través de ellos en tres dimensiones. "Los pilares de oxígeno, o planos de corte, hacen que estos materiales sean más rígidos que otros compuestos de batería, así que eso, además de sus estructuras abiertas significa que más iones de litio pueden moverse a través de ellas, y mucho más rápido ".

Usando una técnica llamada espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) de gradiente de campo pulsado (PFG), que no se aplica fácilmente a los materiales de los electrodos de la batería, los investigadores midieron el movimiento de los iones de litio a través de los óxidos, y encontraron que se movían a velocidades de varios órdenes de magnitud más altas que los materiales típicos de electrodos.

La mayoría de los electrodos negativos en las baterías de iones de litio actuales están hechos de grafito, que tiene una alta densidad energética, pero cuando se cobran tarifas elevadas, tiende a formar fibras de metal de litio delgadas conocidas como dendritas, lo que puede crear un cortocircuito y hacer que las baterías se incendien y posiblemente exploten.

"En aplicaciones de alta tasa, la seguridad es una preocupación mayor que en cualquier otra circunstancia operativa, "dijo Gray." Estos materiales, y potencialmente a otros como ellos, definitivamente valdría la pena buscar aplicaciones de carga rápida en las que se necesite una alternativa más segura al grafito ".

Además de sus altas tasas de transporte de litio, Los óxidos de niobio y tungsteno también son fáciles de fabricar. "Muchas de las estructuras de nanopartículas toman varios pasos para sintetizar, y solo terminas con una pequeña cantidad de material, por lo que la escalabilidad es un problema real, ", dijo Griffith." Pero estos óxidos son tan fáciles de hacer, y no requieren químicos o solventes adicionales ".

Aunque los óxidos tienen excelentes velocidades de transporte de litio, conducen a un voltaje de celda más bajo que algunos materiales de electrodos. Sin embargo, El voltaje de funcionamiento es beneficioso para la seguridad y las altas tasas de transporte de litio significan que cuando se realiza un ciclo rápido, la densidad de energía práctica (utilizable) de estos materiales sigue siendo alta.

Si bien los óxidos solo pueden ser adecuados para ciertas aplicaciones, Gray dice que lo importante es seguir buscando nuevas químicas y nuevos materiales. "Los campos se estancan si no sigues buscando nuevos compuestos, ", dice." Estos materiales interesantes nos dan una buena idea de cómo podríamos diseñar materiales de electrodos de mayor velocidad ".