(PhysOrg.com) - Un gran avance en componentes para baterías de próxima generación podría provenir de materiales especiales que transforman su estructura para funcionar mejor con el tiempo.

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU., dirigido por la nanocientífica de Argonne Tijana Rajh y el experto en baterías Christopher Johnson, descubrió que los nanotubos compuestos de dióxido de titanio pueden cambiar de fase a medida que se cicla una batería, aumentando gradualmente su capacidad operativa. Las pruebas de laboratorio demostraron que las baterías nuevas producidas con este material podrían recargarse hasta la mitad de su capacidad original en menos de 30 segundos.

Al cambiar los ánodos de grafito convencionales por los compuestos de nanotubos de titanio, Rajh y sus colegas presenciaron un fenómeno sorprendente. A medida que la batería pasaba por varias cargas y descargas, su estructura interna comenzó a orientarse de una manera que mejoró drásticamente el rendimiento de la batería.

"No esperábamos que esto sucediera cuando comenzamos a trabajar con el material, pero el ánodo adoptó espontáneamente la mejor estructura, "Hay un tipo de plasticidad interna en el sistema que le permite cambiar a medida que se cicla la batería", dijo Rajh.

Según el nanocientífico de Argonne, Hui Xiong, que trabajó con Rajh para desarrollar el nuevo material de ánodo, El dióxido de titanio parecía improbable que sustituyera adecuadamente al grafito. "Empezamos con un material que nunca pensamos que nos proporcionaría un uso funcional, y se convirtió en algo que nos dio el mejor resultado posible, " ella dijo.

Uno de los otros investigadores del grupo de Rajh, Sanja Tepavcevic, ha adoptado un enfoque similar para hacer una estructura de mejora automática para una nanobatería de iones de sodio.

"Este es un comportamiento material muy inusual, "agregó Jeff Chamberlain, un químico de Argonne que lidera la importante iniciativa de almacenamiento de energía del laboratorio. "Estamos viendo algunas transiciones de fase a nanoescala que son muy interesantes desde un punto de vista científico, y es la comprensión más profunda de los comportamientos de estos materiales lo que revelará los misterios de los materiales que se utilizan en los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica ".

La razón por la que el dióxido de titanio parecía una solución inverosímil para el desarrollo de baterías radica en la naturaleza amorfa del material. Debido a que los materiales amorfos no tienen orden interno, carecen de las propiedades electrónicas especiales de los materiales cristalinos altamente ordenados. Sin embargo, No se ha sabido que los materiales amorfos experimenten transformaciones estructurales tan profundas durante el ciclo, según Rajh. La mayoría de los materiales de batería conocidos experimentan la transición opuesta:comienzan como altamente cristalinos y se pulverizan a un estado amorfo al ciclar.

Tener ánodos compuestos de dióxido de titanio en lugar de grafito también mejora la confiabilidad y seguridad de las baterías de iones de litio. En algunos casos, el litio puede salir de la solución y depositarse en los ánodos de grafito, provocando una peligrosa reacción en cadena conocida como fuga térmica. "Cada tipo de prueba que hemos realizado en ánodos de titanio ha demostrado que son excepcionalmente seguros, "Dijo Chamberlain.

El descubrimiento de Argonne provino de la colaboración entre dos de las instalaciones de usuario insignia del laboratorio:el Centro de Materiales a Nanoescala y la Fuente de Fotones Avanzada. Al combinar técnicas de nanofabricación de vanguardia con rayos X de alta intensidad para caracterizar los nanotubos, los investigadores de Argonne pudieron observar rápidamente este comportamiento inusual.