Las baterías podrían aumentar su capacidad de energía como resultado de un nuevo hallazgo de investigadores del MIT. Descubrieron que el uso de nanotubos de carbono para uno de los electrodos de la batería producía un aumento significativo, hasta diez veces mayor, en la cantidad de energía que podía entregar con un peso determinado de material. en comparación con una batería de iones de litio convencional. Estos electrodos pueden encontrar aplicaciones en pequeños dispositivos portátiles, y con más investigación también podría conducir a baterías mejoradas para más grandes, más aplicaciones que consumen mucha energía.
Para producir el nuevo y poderoso material de electrodo, el equipo utilizó un método de fabricación capa por capa, en el que un material base se sumerge alternativamente en soluciones que contienen nanotubos de carbono que han sido tratados con compuestos orgánicos simples que les dan una carga neta positiva o negativa. Cuando estas capas se alternan en una superficie, se unen estrechamente debido a las cargas complementarias, haciendo una película estable y duradera.
Los resultados, por un equipo dirigido por el Profesor Asociado de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales Yang Shao-Horn, en colaboración con la profesora de Ingeniería Química de la Cátedra Bayer Paula Hammond, se informan en un artículo publicado el 20 de junio en la revista Nanotecnología de la naturaleza . Los autores principales son el estudiante de ingeniería química Seung Woo Lee PhD '10 y el investigador postdoctoral Naoaki Yabuuchi.
Baterías como las baterías de iones de litio ampliamente utilizadas en la electrónica portátil, se componen de tres componentes básicos:dos electrodos (llamados ánodo, o electrodo negativo, y el cátodo, o electrodo positivo) separados por un electrolito, un material eléctricamente conductor a través del cual partículas cargadas, o iones, puede moverse fácilmente. Cuando estas baterías están en uso, iones de litio cargados positivamente viajan a través del electrolito hasta el cátodo, producir una corriente eléctrica; cuando se recargan, una corriente externa hace que estos iones se muevan en sentido contrario, por lo que quedan incrustados en los espacios del material poroso del ánodo.
En el nuevo electrodo de batería, Los nanotubos de carbono, una forma de carbono puro en la que láminas de átomos de carbono se enrollan en pequeños tubos, se "autoensamblan" en una estructura estrechamente unida que es porosa a escala nanométrica (mil millonésimas de metro). Además, los nanotubos de carbono tienen muchos grupos de oxígeno en sus superficies, que puede almacenar una gran cantidad de iones de litio; esto permite que los nanotubos de carbono por primera vez sirvan como electrodo positivo en las baterías de litio, en lugar de solo el electrodo negativo.
Este proceso de "autoensamblaje electrostático" es importante, Hammond explica, porque normalmente los nanotubos de carbono en una superficie tienden a agruparse en haces, dejando menos superficies expuestas para sufrir reacciones. Al incorporar moléculas orgánicas en los nanotubos, se ensamblan de una manera que "tiene un alto grado de porosidad y al mismo tiempo tiene una gran cantidad de nanotubos presentes, " ella dice.
Las baterías de litio con el nuevo material demuestran algunas de las ventajas de ambos condensadores, que puede producir salidas de potencia muy altas en ráfagas cortas, y baterías de litio, que puede proporcionar una potencia más baja de manera constante durante largos períodos, Dice Lee. Se demostró que la producción de energía para un peso dado de este nuevo material de electrodo es cinco veces mayor que la de los condensadores convencionales. y la tasa de suministro de energía total fue 10 veces mayor que la de las baterías de iones de litio, dice el equipo. Este rendimiento se puede atribuir a una buena conducción de iones y electrones en el electrodo, y almacenamiento eficiente de litio en la superficie de los nanotubos.
Además de su alta potencia de salida, los electrodos de nanotubos de carbono mostraron muy buena estabilidad en el tiempo. Después de 1, 000 ciclos de carga y descarga de una batería de prueba, no hubo ningún cambio detectable en el rendimiento del material.
Los electrodos que produjo el equipo tenían espesores de hasta unas pocas micras, y las mejoras en el suministro de energía solo se observaron en niveles de producción de alta potencia. En el trabajo futuro, el equipo tiene como objetivo producir electrodos más gruesos y extender el rendimiento mejorado a salidas de baja potencia también, ellos dicen. En su forma actual, el material puede tener aplicaciones para pequeños, dispositivos electrónicos portátiles, dice Shao-Horn, pero si la capacidad de alta potencia reportada se demostrara en una forma mucho más gruesa, con espesores de cientos de micrones en lugar de solo unos pocos, eventualmente podría ser adecuado para otras aplicaciones, como los automóviles híbridos.
Si bien el material del electrodo se produjo sumergiendo alternativamente un sustrato en dos soluciones diferentes, un proceso que requiere relativamente tiempo, Hammond sugiere que el proceso podría modificarse rociando las capas alternas sobre una cinta de material en movimiento. una técnica que ahora se está desarrollando en su laboratorio. Esto eventualmente podría abrir la posibilidad de un proceso de fabricación continuo que podría ampliarse a grandes volúmenes para la producción comercial. y también podría usarse para producir electrodos más gruesos con una mayor capacidad de potencia. "No hay un límite real" en el grosor potencial, Dice Hammond. "El único límite es el tiempo que se tarda en crear las capas, "y la técnica de pulverización puede ser hasta 100 veces más rápida que la inmersión, ella dice.
Lee dice que si bien se han producido nanotubos de carbono en cantidades limitadas hasta ahora, varias empresas se están preparando actualmente para la producción en masa del material, lo que podría ayudar a convertirlo en un material viable para la fabricación de baterías a gran escala.
