Las baterías del laboratorio del profesor Paul Braun de Illinois se parecen a las demás, pero guardan una sorpresa en el interior.

El grupo de Braun desarrolló una nanoestructura tridimensional para cátodos de batería que permite una carga y descarga dramáticamente más rápida sin sacrificar la capacidad de almacenamiento de energía. Los hallazgos de los investigadores se publicarán en la edición en línea anticipada del 20 de marzo de la revista. Nanotecnología de la naturaleza.

Aparte de la electrónica de consumo de carga rápida, baterías que pueden almacenar mucha energía, suéltelo rápido y recargue rápidamente son deseables para vehículos eléctricos, dispositivos médicos, láseres y aplicaciones militares.

"Este sistema que tenemos le brinda energía similar a un capacitor con energía similar a una batería, "dijo Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales. "La mayoría de los condensadores almacenan muy poca energía. Pueden liberarla muy rápido, pero no pueden contener mucho. La mayoría de las baterías almacenan una cantidad razonablemente grande de energía, pero no pueden proporcionar ni recibir energía rápidamente. Esto hace ambas cosas ".

El rendimiento de las típicas baterías recargables de iones de litio (Li-ion) o de hidruro metálico de níquel (NiMH) se degrada significativamente cuando se cargan o descargan rápidamente. Hacer del material activo de la batería una película delgada permite una carga y descarga muy rápida, pero reduce la capacidad a casi cero porque el material activo carece de volumen para almacenar energía.

El grupo de Braun envuelve una película delgada en una estructura tridimensional, logrando tanto un alto volumen activo (alta capacidad) como una gran corriente. Han demostrado electrodos de batería que pueden cargarse o descargarse en unos segundos, 10 a 100 veces más rápido que los electrodos a granel equivalentes, sin embargo, puede funcionar normalmente en dispositivos existentes.

Este tipo de rendimiento podría llevar a que los teléfonos se carguen en segundos o las computadoras portátiles que se carguen en minutos, así como láseres y desfibriladores de alta potencia que no necesitan tiempo para encenderse antes o entre pulsos.

Braun es particularmente optimista sobre el potencial de las baterías en los vehículos eléctricos. La duración de la batería y el tiempo de recarga son las principales limitaciones de los vehículos eléctricos. Los viajes por carretera de larga distancia pueden ser su propia forma de conducción de arranque y parada si la batería solo dura 100 millas y luego requiere una hora para recargarse.

"Si tuvieras la capacidad de cargar rápidamente, en lugar de tomar horas para cargar el vehículo, podría tener vehículos que se cargarían en tiempos similares a los necesarios para repostar un automóvil con gasolina, ", Dijo Braun." Si tuvieras capacidad de carga de cinco minutos, pensaría en esto de la misma manera que lo hace con un motor de combustión interna. Simplemente se detendría en una estación de carga y llenaría ".

Todos los procesos que utilizó el grupo también se utilizan a gran escala en la industria, por lo que la técnica podría ampliarse para la fabricación.

La clave de la novedosa estructura tridimensional del grupo es el autoensamblaje. Comienzan recubriendo una superficie con esferas diminutas, empaquetarlos bien juntos para formar una celosía. Tratar de crear una celosía tan uniforme por otros medios requiere mucho tiempo y es poco práctico, pero las esferas económicas se colocan en su lugar
automáticamente.

Luego, los investigadores llenan el espacio entre y alrededor de las esferas con metal. Las esferas se derriten o se disuelven, dejando un andamio de metal tridimensional poroso, como una esponja. Próximo, un proceso llamado electropulido graba uniformemente la superficie del andamio para agrandar los poros y hacer un marco abierto. Finalmente, los investigadores recubren el marco con una fina película del material activo.

El resultado es una estructura de electrodo bicontinua con pequeñas interconexiones, para que los iones de litio puedan moverse rápidamente; un material activo de película delgada, por lo que la cinética de difusión es rápida; y una estructura metálica con buena conductividad eléctrica.

El grupo demostró baterías de NiMH y Li-ion, pero la estructura es general, por lo que se puede utilizar cualquier material de batería que pueda depositarse en el marco de metal.

"Nos gusta que sea muy universal, por lo que si a alguien se le ocurre una mejor química de la batería, este concepto se aplica, "dijo Braun, quien también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales y al Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas en Illinois. "Esto no está relacionado con un tipo de batería muy específico, sino que es un nuevo paradigma al pensar en una batería en tres dimensiones para mejorar las propiedades ".