(Phys.org) - Las baterías más potentes podrían ayudar a los coches eléctricos a alcanzar una autonomía considerablemente mayor y, por tanto, a un gran avance en el mercado. Aquí podría entrar en juego un nuevo nanomaterial para baterías de iones de litio desarrollado en los laboratorios de químicos de ETH Zurich y Empa.

Proporcionan energía a los coches eléctricos, bicicletas electricas, Smartphones y portátiles:hoy en día, Las baterías recargables de iones de litio son el medio de almacenamiento preferido cuando se trata de suministrar una gran cantidad de energía en un espacio reducido y liviano. Por todo el mundo, Los científicos están investigando actualmente una nueva generación de tales baterías con un rendimiento mejorado. Los científicos encabezados por Maksym Kovalenko del Laboratorio de Química Inorgánica en ETH Zurich y Empa han desarrollado ahora un nanomaterial que permite almacenar considerablemente más energía en baterías de iones de litio.

El nanomaterial está compuesto por diminutos cristales de estaño, que se desplegarán en el polo negativo de las baterías (ánodo). Al cargar las baterías, los iones de litio se absorben en este electrodo; mientras se descarga, se vuelven a liberar (ver recuadro). "Cuantos más iones de litio puedan absorber y liberar los electrodos, mejor podrán respirar, por así decirlo, cuanta más energía se puede almacenar en una batería, "explica Kovalenko.

Cristales uniformes

El elemento estaño es ideal para esto:cada átomo de estaño puede absorber al menos cuatro iones de litio. Sin embargo, el desafío es lidiar con el cambio de volumen de los electrodos de estaño:el cristal de estaño se vuelve hasta tres veces más grande si absorbe muchos iones de litio y se contrae nuevamente cuando los libera. Así, los científicos recurrieron a la nanotecnología:produjeron los nanocristales de estaño más diminutos e incrustaron un gran número de ellos en un poroso, matriz de carbono permeable conductora. Al igual que una esponja puede absorber agua y liberarla nuevamente, un electrodo construido de esta manera puede absorber iones de litio mientras se carga y liberarlos cuando se descarga. Si el electrodo estuviera hecho de un bloque de estaño compacto, esto sería prácticamente imposible.

Durante el desarrollo del nanomaterial, surgió la cuestión del tamaño ideal de los nanocristales, que también conlleva el desafío de producir cristales uniformes. "El truco aquí consistía en separar los dos pasos básicos en la formación de los cristales:la formación de un núcleo de cristal tan pequeño como fuera posible, por un lado, y su posterior crecimiento, por el otro, "explica Kovalenko. Al influir en el tiempo y la temperatura de la fase de crecimiento, los científicos pudieron controlar el tamaño de los cristales. "Somos los primeros en producir cristales de estaño tan pequeños con tanta precisión, "dice el científico.

Mayor estabilidad de ciclo

Usando nanocristales de estaño uniformes, agentes de carbono y aglutinantes, los científicos produjeron diferentes electrodos de prueba para baterías. "Esto permite almacenar el doble de energía en comparación con los electrodos convencionales, ", dice Kovalenko. El tamaño de los nanocristales no afectó la capacidad de almacenamiento durante el ciclo inicial de carga y descarga. Después de algunos ciclos de carga y descarga, sin embargo, Las diferencias causadas por el tamaño del cristal se hicieron evidentes:las baterías con cristales de diez nanómetros en los electrodos pudieron almacenar considerablemente más energía que las que tenían el doble de diámetro. Los científicos asumen que los cristales más pequeños funcionan mejor porque pueden absorber y liberar iones de litio con mayor eficacia. "Los cristales de estaño de diez nanómetros parecen ser el boleto para las baterías de iones de litio, "dice Kovalenko.

Como los científicos ahora conocen el tamaño ideal para los nanocristales de estaño, les gustaría centrar su atención en los desafíos pendientes de producir electrodos de estaño óptimos en futuros proyectos de investigación. Estos incluyen la elección de la mejor matriz de carbono y agente aglutinante posibles para los electrodos, y la estructura microscópica ideal de los electrodos. Es más, También es necesario seleccionar un líquido electrolítico óptimo y estable en el que los iones de litio puedan viajar hacia adelante y hacia atrás entre los dos polos de la batería. Por último, los costos de producción también son un problema, que los investigadores buscan reducir probando qué materiales base rentables son adecuados para la producción de electrodos. El objetivo es preparar baterías con una mayor capacidad de almacenamiento de energía y vida útil para el mercado, incluso en colaboración con un socio industrial suizo.