Baterías de iones de litio convencionales, como los que se utilizan ampliamente en teléfonos inteligentes y portátiles, han alcanzado los límites de rendimiento. El químico de materiales Freddy Kleitz de la Facultad de Química de la Universidad de Viena y científicos internacionales han desarrollado un nuevo material de ánodo nanoestructurado para baterías de iones de litio. que extiende la capacidad y el ciclo de vida de las baterías. Basado en un óxido de metal mixto mesoporoso en combinación con grafeno, el material podría proporcionar un nuevo enfoque sobre cómo hacer un mejor uso de las baterías en dispositivos grandes como los vehículos eléctricos o híbridos. El estudio se ha publicado ahora como artículo de portada del número actual de Materiales energéticos avanzados .

Alta densidad de energía, ciclo de vida extendido y sin efecto memoria:las baterías de iones de litio son los dispositivos de almacenamiento de energía más extendidos para dispositivos móviles, así como también portadores de esperanza para la movilidad eléctrica. Los investigadores están buscando nuevos tipos de material de electrodo activo para llevar las baterías al siguiente nivel de alto rendimiento y durabilidad. y mejorar su uso para dispositivos grandes. "Los materiales de batería de iones de litio nanoestructurados podrían proporcionar una buena solución, "dice Freddy Kleitz del Departamento de Química Inorgánica - Materiales Funcionales de la Universidad de Viena, quien junto a Claudio Gerbaldi, líder del Grupo de Materiales Aplicados y Electroquímica del Politecnico di Torino, Italia, es el autor principal del estudio.

El nanocompuesto 2-D / 3-D basado en una mezcla de óxido de metal y grafeno, desarrollado por los dos científicos y sus equipos, mejora seriamente el rendimiento electroquímico de las baterías de iones de litio. "En nuestras ejecuciones de prueba, el nuevo material del electrodo proporcionó una capacidad específica significativamente mejorada con una estabilidad de ciclo reversible sin precedentes en 3, 000 ciclos de carga y descarga reversibles incluso con regímenes de corriente muy altos de hasta 1, 280 miliamperios, ", dice el jefe de departamento Freddy Kleitz. Las baterías de iones de litio actuales pierden su rendimiento después de aproximadamente 1, 000 ciclos de carga.

Nueva receta

Los ánodos convencionales a menudo existen de material de carbono como el grafito. "Los óxidos metálicos tienen una mejor capacidad de batería que el grafito, pero son bastante inestables y menos conductivas, "explica Kleitz. Los investigadores encontraron una manera de aprovechar al máximo las características positivas de ambos compuestos. Desarrollaron una nueva familia de materiales activos de electrodos, basado en un óxido de metal mixto y el grafeno altamente conductivo y estabilizador, mostrando características superiores en comparación con las de la mayoría de las nanoestructuras y compuestos de óxidos de metales de transición.

Como primer paso, basado en un procedimiento de cocción de nuevo diseño, los investigadores pudieron mezclar cobre y níquel de manera homogénea y controlada para lograr el metal mezclado. Basado en nanocasting, un método para producir materiales mesoporosos, crearon partículas nanoporosas estructuradas de óxidos metálicos mixtos, que debido a su extensa red de poros tienen un área de reacción activa muy alta para el intercambio con iones de litio del electrolito de la batería. Luego, los científicos aplicaron un procedimiento de secado por atomización para envolver las partículas de óxido de metal mezclado firmemente con capas delgadas de grafeno.

Diseño simple y eficiente

El uso de baterías de iones de litio para la movilidad eléctrica se considera problemático desde el punto de vista medioambiental. p.ej. debido a su producción intensiva en materia prima. Baterías pequeñas que pueden almacenar la mayor cantidad de energía posible, durar el mayor tiempo posible y no son demasiado costosos de fabricar, lo que podría hacer avanzar su uso en dispositivos a gran escala. "En comparación con los enfoques existentes, Nuestra estrategia de ingeniería innovadora para el nuevo material de ánodo de alto rendimiento y larga duración es simple y eficiente. Es un proceso a base de agua y, por tanto, respetuoso con el medio ambiente y listo para ser aplicado a nivel industrial, "concluyen los autores del estudio.