Los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía están recurriendo a tubos y varillas extremadamente pequeños para aumentar la potencia y la durabilidad de las baterías de iones de litio. las fuentes de energía para teléfonos móviles, laptops, y vehículos eléctricos. Si tiene éxito, las baterías durarán más y funcionarán mejor, dando lugar a una ventaja de costes para los vehículos eléctricos.

El transporte y las comunicaciones en todo el mundo dependen cada vez más de las baterías de iones de litio, con teléfonos móviles omnipresentes en seis continentes, y vehículos eléctricos en camino de acelerar de un mercado mundial de $ 1 mil millones en 2009 a $ 14 mil millones en 2016, según los analistas Frost y Sullivan.

El grupo de almacenamiento de energía de NREL está trabajando con el Departamento de Energía, desarrolladores de baterías automotrices, y fabricantes de automóviles para mejorar el rendimiento y la durabilidad de las baterías de iones de litio avanzadas para un limpiador, un futuro de transporte más seguro, dijo el gerente del grupo de almacenamiento de energía Ahmad Pesaran. "El enfoque de nanotubos representa una oportunidad emocionante:mejorar el rendimiento de las baterías recargables de iones de litio y hacer que duren más, Pesaran dijo:"Aumentar la vida útil y el rendimiento de las baterías recargables reducirá los costos generales de los vehículos eléctricos y nos hará menos dependientes de fuentes de energía extranjeras".

Los científicos de NREL han creado nanotubos cristalinos y nanobarras para atacar los principales desafíos inherentes a las baterías de iones de litio:pueden calentarse demasiado, pesar demasiado, y son menos que estelares en la conducción de electricidad y la carga y descarga rápida.

La contribución más reciente de NREL hacia las baterías mejoradas son las de alto rendimiento, sin aglutinante, electrodos a base de nanotubos de carbono. La tecnología ha atraído rápidamente el interés de la industria y se está licenciando a NanoResearch, C ª., para producción en volumen.

La nanotecnología se refiere a la manipulación de materia a escala atómica o molecular. ¿Cuán pequeño? Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro; tomaría 1, 000 de los nanotubos del proyecto de NREL se alinearon uno al lado del otro para cruzar el ancho de un cabello humano.

Todavía, Los científicos de NREL no solo pueden crear objetos útiles tan pequeños, pero guíe sus formaciones en formas particulares. Han combinado nanotubos y nanobarras de tal manera que pueden ayudar a cargar la batería al tiempo que reducen la hinchazón y el encogimiento que conduce a electrodos con una vida útil más corta.

"Piense en una batería de iones de litio como un nido de pájaro, "El científico de NREL, Chunmei Ban, dijo." El enfoque de NREL utiliza nanobarras para mejorar lo que está sucediendo en el interior, al tiempo que se asegura de que el nido siga siendo duradero y resistente ".

"Estamos cambiando la arquitectura, cambiando un poco la química, "sin cambiar la batería, ella dijo.

El trabajo de NREL fue apoyado por la Oficina de Tecnología de Vehículos del Departamento de Energía bajo el programa Battery for Advanced Transportation Technologies (BATT), que se centra en reducir el costo y mejorar el rendimiento y la durabilidad de las baterías de iones de litio que alimentan los vehículos eléctricos.

Los nanotubos de carbono se unen y conducen

Las baterías típicas de iones de litio utilizan materiales separados para conducir electrones y unir materiales activos, pero el enfoque de NREL usa nanotubos de carbono para ambas funciones. "Eso mejora nuestra carga masiva, lo que resulta en empacar más energía en el mismo espacio, por lo que una mejor salida de energía para la batería, "Ban dijo." El enfoque NREL también ayuda con la reversibilidad:la reversión de las reacciones químicas que permite que la batería se recargue con corriente eléctrica durante el funcionamiento. Si podemos mejorar la durabilidad y la reversibilidad, definitivamente ahorramos dinero y reducimos costos ".

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) son caros, pero los científicos e ingenieros que trabajan en el campo confían en que a medida que se amplíe el uso de electrodos basados ​​en SWCNT, su precio caerá hasta un punto en el que tengan sentido económico en las baterías, Ban dijo.

En una batería de iones de litio, los iones de litio se mueven hacia adelante y hacia atrás en el ánodo de grafito a través de un electrolito; los iones se inyectan entre las capas de carbono de grafito, que es duradero pero innecesariamente denso. Al mismo tiempo, los electrones fluyen fuera de la batería a través de una carga eléctrica desde el cátodo hasta el ánodo. Los electrolitos son esenciales en las baterías recargables porque cierran el circuito dentro de las baterías al permitir que los iones se transfieran; de lo contrario, la batería no puede continuar conduciendo electricidad de los polos positivo a negativo y viceversa.

Materiales de alta energía, como óxidos metálicos y ánodos de silicio, tienen cambios de volumen masivos cuando se inyectan y extraen iones de litio del material del electrodo. Se hinchan y encogen, reunirse en un grupo y tocarse, encogiéndose al unísono, causando colapso y subsiguientes grietas que pueden dañar el rendimiento, lo que conduce a la destrucción del electrodo y, por lo tanto, a una menor vida útil.

Ciertos óxidos metálicos hacen un mejor trabajo que el grafito al combinarse con los electrodos. Pero mientras mejoran el contenido energético y las funciones de inversión, todavía contribuyen a la gran expansión de volumen y la destrucción de la estructura interna.

El equipo de NREL recurrió al óxido de hierro, que es abundante, a salvo, barato, y muestra una gran promesa. Todavía, ser efectivo, el tamaño de las nanopartículas de óxido de hierro tenía que ser el correcto y debía mantenerse en una matriz fuerte que fuera flexible y resistente para hacer frente a grandes cambios de volumen mientras conducía la electricidad de manera óptima.

NREL aprovechó las propiedades únicas de los SWCNT para abordar los desafíos del calor, peso, y descargar todo a la vez. "Usamos el nanotubo de carbono en esta red flexible para hacer una envoltura conductora similar a una cuerda, "Ban dijo. Entonces, cuando hay encogimiento, esas envolturas permiten que los electrones alcancen el óxido de hierro y continúen sin cesar en la ruta conductora. El uso de nanopartículas acorta la longitud de difusión, mejorando la capacidad de carga y descarga rápidas. El uso de abundante material económico significa menos necesidad de metales tan caros como el cobalto, utilizado actualmente en los cátodos de las baterías de iones de litio, reduciendo el costo total ".

Construyendo mejores ánodos y cátodos

El SWCNT con solución de óxido de hierro produjo una densidad de potencia triple que la del grafito, lo que significa un gran rendimiento al tiempo que elimina gran parte del peso de una batería que depende del grafito. Para llegar era esencial que las partículas de óxido de hierro se distribuyeran uniformemente dentro de los nanotubos circundantes.

Ban y su colega de NREL, Zhuangchun Wu, utilizaron síntesis hidrotermal y filtración al vacío para construir ánodos de iones de litio que no requieren los aglutinantes típicos (la fuerza de adhesión que permite que la batería aguante los ciclos de carga y descarga) pero tienen una alta capacidad. El primer paso fue fabricar nanobarras de óxido de hierro como precursores para la fabricación de electrodos. Ban y sus colegas descubrieron que a 450 ° C, recocer las nanovarillas de hidróxido de hierro con SWCNT produciría óxido de hierro. Y, los SWCNT contribuyeron solo con un 5% al ​​peso. Los SWCNT no solo facilitaron realmente la formación de partículas de óxido de hierro, pero aseguraron un excelente contacto físico y eléctrico entre los dos materiales.

Para electrodos de cátodo, incrustaron NMC (óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto) en los nanotubos, haciendo que las nanopartículas se vuelvan muy conductoras. El nanocompuesto resultante conserva el 92% de su capacidad original para almacenar y conducir cargas eléctricas incluso después de 500 ciclos de carga y recarga.

La experiencia en síntesis de química húmeda guió las formas ideales

No es tan fácil como simplemente poner nanomateriales en baterías, Ban dijo. "Se necesita un proceso especial para que funcione". Ban y sus colegas de NREL, Wu y Anne Dillon, utilizaron un proceso de filtración al vacío para combinar óxido de hierro de bajo costo con nanotubos de carbono.

Ban aportó su experiencia en síntesis de química húmeda al desafío de influir en las formas de los nanomateriales para hacerlos en forma de varillas. "Sabemos cómo cambiar las condiciones de síntesis para dirigir el diseño o realizar la estructura y forma de los nanomateriales, "Dijo Ban.

Eligieron una forma de varilla porque pensaron que se integraría bien con los nanocables y las curvaturas de los nanotubos, envolverlos para crear un electrodo robusto. Las hebras inusualmente largas y muy flexibles de los nanomateriales son cruciales para las características superiores de los electrodos. Se adhieren íntimamente a las partículas, y su porosidad permite una difusión ideal.

Una batería recargable que dura

Los innovadores electrodos concebidos por NREL pueden significar una capacidad superior, rendimiento, y seguridad para baterías de iones de litio.

David Addie Noye, quien fundó NanoResearch, C ª., con un plan para comercializar innovaciones en nanociencia probadas, visitó NREL, vi el proceso, y decidió licenciar la tecnología. La innovación de la química de nanomateriales y la innovación del proceso de fabricación que da como resultado electrodos sin aglutinantes "es un cambio de juego porque ayuda a resolver un problema fundamental que la industria de las baterías de iones de litio no ha podido resolver durante décadas. " él dijo.

Las mejoras en las baterías de iones de litio que ofrece el enfoque de NREL también pueden marcar la diferencia en la electrónica de consumo portátil. como laptops, tabletas, celulares, y medios portátiles, así como los dispositivos estacionarios de almacenamiento de energía que serán cada vez más importantes a medida que ingrese más energía renovable de generación variable a la red.

"No estamos fabricando una batería nueva, pero estamos cambiando un poco la arquitectura mediante el uso de ánodos de óxido metálico envueltos en SWCT, "Ban dijo." Al hacerlo, mejoramos la carga masiva, producción de energía por peso, y volumen ". El proceso garantiza una carga más rápida, y eso es lo más esencial para los fabricantes y sus clientes. Eso significa menos viajes a la estación de recarga, y una batería que sigue y sigue y sigue.