Un gran problema al que se enfrentan los electrodos en baterías recargables, a medida que pasan por ciclos repetidos de carga y descarga, es que deben expandirse y contraerse durante cada ciclo, a veces duplicando su volumen, y luego retrocediendo. Esto puede llevar al desprendimiento y la reforma repetidos de su capa de "piel" que consume litio de forma irreversible. degradando el rendimiento de la batería con el tiempo.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y la Universidad de Tsinghua en China ha encontrado una forma novedosa de solucionar ese problema:crear un electrodo hecho de nanopartículas con una capa sólida, y una "yema" en el interior que puede cambiar de tamaño una y otra vez sin afectar la cáscara. La innovación podría mejorar drásticamente el ciclo de vida, el equipo dice, y proporcionan un aumento espectacular en la capacidad y potencia de la batería.

Los nuevos hallazgos, que utilizan aluminio como material clave para el electrodo negativo de la batería de iones de litio, o ánodo, se informan en la revista Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo del profesor del MIT Ju Li y otros seis. El uso de nanopartículas con una yema de aluminio y una cáscara de dióxido de titanio ha demostrado ser "el campeón de alto índice entre los ánodos de alta capacidad, "informa el equipo.

La mayoría de las baterías de iones de litio actuales, la forma más utilizada de baterías recargables, utilizan ánodos hechos de grafito, una forma de carbono. El grafito tiene una capacidad de almacenamiento de carga de 0,35 amperios-hora por gramo (Ah / g); durante muchos años, Los investigadores han explorado otras opciones que proporcionarían un mayor almacenamiento de energía para un peso determinado. Metal de litio, por ejemplo, puede almacenar aproximadamente 10 veces más energía por gramo, pero es extremadamente peligroso, capaz de cortocircuitar o incluso incendiarse. El silicio y el estaño tienen una capacidad muy alta, pero la capacidad cae a altas tasas de carga y descarga.

El aluminio es una opción de bajo costo con una capacidad teórica de 2 Ah / g. Pero el aluminio y otros materiales de alta capacidad, Li dice:"se expanden mucho cuando alcanzan una gran capacidad, cuando absorben litio. Y luego se encogen al liberar litio ".

Esta expansión y contracción de las partículas de aluminio genera un gran estrés mecánico, lo que puede provocar la desconexión de los contactos eléctricos. También, el electrolito líquido en contacto con el aluminio siempre se descompondrá a los voltajes de carga / descarga requeridos, formando una piel llamada capa de interfase de electrolitos sólidos (SEI), lo cual estaría bien si no fuera por la expansión y contracción repetidas de gran volumen que hacen que las partículas SEI se desprendan. Como resultado, los intentos anteriores de desarrollar un electrodo de aluminio para baterías de iones de litio habían fracasado.

Ahí es donde surgió la idea de utilizar aluminio confinado en forma de nanopartículas de cáscara de yema. En el negocio de la nanotecnología, Existe una gran diferencia entre las denominadas nanopartículas "núcleo-caparazón" y "yema-caparazón". Los primeros tienen un caparazón que se adhiere directamente al núcleo, pero las partículas de la cáscara de la yema presentan un vacío entre los dos, equivalente a donde estaría la clara de un huevo. Como resultado, el material de la "yema" puede expandirse y contraerse libremente, con poco efecto sobre las dimensiones y la estabilidad del "caparazón".

"Hicimos una cáscara de óxido de titanio, "Li dice, "que separa el aluminio del electrolito líquido" entre los dos electrodos de la batería. La cáscara no se expande ni se encoge mucho, él dice, por lo que el revestimiento SEI en la carcasa es muy estable y no se cae, y el interior de aluminio está protegido del contacto directo con el electrolito.

El equipo no lo planeó originalmente de esa manera, dice Li, el profesor de Battelle Energy Alliance en Ciencias e Ingeniería Nuclear, quien tiene un nombramiento conjunto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.

"Se nos ocurrió el método por casualidad, fue un descubrimiento casual, ", dice. Las partículas de aluminio que usaron, que tienen unos 50 nanómetros de diámetro, naturalmente tienen una capa oxidada de alúmina (Al2O3). "Necesitábamos deshacernos de él, porque no es bueno para la conductividad eléctrica, "Li dice.

Terminaron convirtiendo la capa de alúmina en titania (TiO2), un mejor conductor de electrones e iones de litio cuando es muy delgado. Los polvos de aluminio se colocaron en ácido sulfúrico saturado con oxisulfato de titanio. Cuando la alúmina reacciona con el ácido sulfúrico, se libera un exceso de agua que reacciona con el oxisulfato de titanio para formar una capa sólida de hidróxido de titanio con un espesor de 3 a 4 nanómetros. Lo sorprendente es que, si bien esta capa sólida se forma casi instantáneamente, si las partículas permanecen en el ácido algunas horas más, el núcleo de aluminio se contrae continuamente para convertirse en una yema de 30 nm de ancho, ", lo que muestra que los iones pequeños pueden atravesar la cáscara.

A continuación, las partículas se tratan para obtener las partículas de cáscara de yema de aluminio-titania (ATO) finales. Después de ser probado a través de 500 ciclos de carga y descarga, la cáscara de titania se vuelve un poco más gruesa, Li dice:pero el interior del electrodo permanece limpio sin acumulación de SEI, probar que la carcasa encierra completamente el aluminio mientras permite que los iones y electrones de litio entren y salgan. El resultado es un electrodo que ofrece más de tres veces la capacidad del grafito (1,2 Ah / g) a una velocidad de carga normal, Dice Li. A velocidades de carga muy rápidas (seis minutos para la carga completa), la capacidad sigue siendo de 0,66 Ah / g después de 500 ciclos.

Los materiales son económicos, y el método de fabricación podría ser simple y fácilmente escalable, Dice Li. Para aplicaciones que requieren una batería de alta densidad de energía y potencia, él dice, "Es probablemente el mejor material de ánodo disponible". Las pruebas de celda completa que utilizan fosfato de hierro y litio como cátodo han tenido éxito, lo que indica que ATO está bastante cerca de estar listo para aplicaciones reales.

"Estas partículas de cáscara de yema muestran un rendimiento muy impresionante en pruebas a escala de laboratorio, "dice David Lou, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, que no estuvo involucrado en este trabajo. "A mi, el punto más atractivo de este trabajo es que el proceso parece simple y escalable ".

Hay mucho trabajo en el campo de la batería que utiliza "síntesis complicada con instalaciones sofisticadas, "Lou agrega, pero tales sistemas "es poco probable que tengan un impacto en las baterías reales ... Cosas simples tienen un impacto real en el campo de las baterías".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.