Los investigadores han fabricado el primer electrodo de batería que se cura a sí mismo, abriendo un camino nuevo y potencialmente viable comercialmente para fabricar la próxima generación de baterías de iones de litio para automóviles eléctricos, teléfonos celulares y otros dispositivos. El secreto es un polímero elástico que recubre el electrodo, lo une y cura espontáneamente las pequeñas grietas que se desarrollan durante el funcionamiento de la batería, dijo el equipo de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía (DOE).

Informaron del avance en la edición del 19 de noviembre de Química de la naturaleza .

"La autocuración es muy importante para la supervivencia y la larga vida de los animales y las plantas, "dijo Chao Wang, investigador postdoctoral en Stanford y uno de los dos autores principales del artículo. "Queremos incorporar esta función en las baterías de iones de litio para que también tengan una vida útil prolongada".

Chao desarrolló el polímero autocurativo en el laboratorio del profesor de Stanford Zhenan Bao, cuyo grupo ha estado trabajando en una piel electrónica flexible para su uso en robots, sensores, prótesis y otras aplicaciones. Para el proyecto de la batería, agregó diminutas nanopartículas de carbono al polímero para que condujera la electricidad.

"Descubrimos que los electrodos de silicio duraban 10 veces más cuando estaban recubiertos con el polímero autocurativo, que reparó las grietas en unas pocas horas, "Dijo Bao.

"Su capacidad para almacenar energía está en el rango práctico ahora, pero ciertamente nos gustaría impulsar eso, "dijo Yi Cui, profesor asociado en SLAC y Stanford que dirigió la investigación con Bao. Los electrodos funcionaron durante unos 100 ciclos de carga y descarga sin perder significativamente su capacidad de almacenamiento de energía. "Eso todavía está muy lejos del objetivo de unos 500 ciclos para teléfonos móviles y 3, 000 ciclos para un vehículo eléctrico, "Cui dijo, "pero la promesa está ahí, y según todos nuestros datos, parece que está funcionando ".

Los investigadores de todo el mundo están compitiendo para encontrar formas de almacenar más energía en los electrodos negativos de las baterías de iones de litio para lograr un mayor rendimiento y reducir el peso. Uno de los materiales de electrodos más prometedores es el silicio; tiene una alta capacidad para absorber los iones de litio del líquido de la batería durante la carga y luego liberarlos cuando la batería se pone en funcionamiento.

Pero esta alta capacidad tiene un precio:los electrodos de silicio se hinchan hasta tres veces su tamaño normal y vuelven a encogerse cada vez que la batería se carga y descarga. y el material quebradizo pronto se agrieta y se deshace, degradando el rendimiento de la batería. Este es un problema para todos los electrodos en baterías de alta capacidad, dijo Hui Wu, un ex postdoctorado de Stanford que ahora es miembro de la facultad de la Universidad de Tsinghua en Beijing, el otro autor principal del artículo.

Para hacer el revestimiento autocurativo, Los científicos debilitaron deliberadamente algunos de los enlaces químicos dentro de los polímeros:largos, moléculas en forma de cadena con muchas unidades idénticas. El material resultante se rompe fácilmente, pero los extremos rotos se atraen químicamente entre sí y se unen rápidamente de nuevo, imitando el proceso que permite que las moléculas biológicas como el ADN se ensamblen, reorganizar y descomponer.

Los investigadores en el laboratorio de Cui y en otros lugares han probado varias formas de mantener intactos los electrodos de silicio y mejorar su rendimiento. Algunos están siendo explorados para usos comerciales, pero muchos involucran materiales exóticos y técnicas de fabricación que son difíciles de escalar para la producción.

El electrodo autocurativo, que está hecho de micropartículas de silicio que se utilizan ampliamente en la industria de semiconductores y células solares, es la primera solución que parece ofrecer un camino práctico a seguir, Dijo Cui. Los investigadores dijeron que creen que este enfoque también podría funcionar para otros materiales de electrodos, y continuarán perfeccionando la técnica para mejorar el rendimiento y la longevidad del electrodo de silicio.