Kostiantyn Kravchyk explica:Por qué el grafito kish funciona tan bien:los bordes del grafito parecen los bordes de un montón de papel. Los iones pueden entrar allí fácilmente. Si las capas de grafito están trituradas, eso no funcionará tan bien. Crédito:Empa
Las baterías de iones de litio son inflamables y el precio de la materia prima está aumentando. ¿Hay alternativas? Sí:los investigadores de Empa y ETH Zürich han descubierto enfoques prometedores sobre cómo podríamos producir baterías a partir de grafito residual y chatarra.
Kostiantyn Kravchyk trabaja en el grupo de Maksym Kovalenko. Este grupo de investigación tiene su base tanto en ETH Zurich como en el Laboratorio de Empa's Laboratory for Thin Films and Photovoltaics. El ambicioso objetivo de los dos investigadores en la sucursal de Empa es hacer una batería con los elementos más comunes de la corteza terrestre, como el magnesio o el aluminio. Estos metales ofrecen un alto grado de seguridad, incluso si el ánodo está hecho de metal puro. Esto también ofrece la oportunidad de ensamblar las baterías de una manera muy simple y económica y aumentar rápidamente la producción.
Para hacer funcionar tales baterías, el electrolito líquido debe consistir en iones especiales que no cristalicen a temperatura ambiente, es decir, que formen una especie de fusión. Los iones metálicos se mueven hacia adelante y hacia atrás entre el cátodo y el ánodo en esta "fusión en frío", encerrado en un manto espeso de iones de cloruro. Alternativamente, aniones orgánicos grandes pero livianos, que no contienen metales, puede ser usado. Esto viene con un problema aunque:¿adónde se supone que van estos iones "gruesos" cuando la batería está cargada? ¿Cuál podría ser un material de cátodo adecuado? A modo de comparación:en baterías de iones de litio, el cátodo está hecho de un óxido metálico, que puede absorber fácilmente los pequeños cationes de litio durante la carga. Esto no funciona para iones tan grandes, sin embargo. Además, estos aniones grandes tienen una carga opuesta a los cationes de litio.
El grafito Kish es un producto de desecho de la producción de acero. Podría usarse para hacer una batería recargable barata con materiales abundantes. Crédito:Empa / ETH Zürich
Para resolver el problema, El equipo de Kovalenko tenía un truco bajo la manga:los investigadores dieron la vuelta al principio de la batería de iones de litio. En baterías de iones de litio convencionales, el ánodo (el polo negativo) está hecho de grafito, cuyas capas (en estado cargado) contienen los iones de litio. En la batería de Kovalenko, al contrario, el grafito se utiliza como cátodo (el polo positivo). Los aniones gruesos se depositan entre las capas de grafeno. En la batería de Kovalenko, el ánodo está hecho de metal.
Kravchyk hizo un descubrimiento notable mientras buscaba el grafito "correcto":descubrió que el grafito de desecho producido en la producción de acero, denominado "grafito kish", lo convierte en un gran material de cátodo. El grafito natural también funciona igual de bien:si se suministra en escamas gruesas y no se muele demasiado finamente ni se pliega, formas sin escamas. La razón:las capas de grafito están abiertas en los bordes de las escamas y, por lo tanto, los aniones gruesos pueden deslizarse en la estructura más fácilmente. El grafito de tierra fina que se utiliza normalmente en las baterías de iones de litio, sin embargo, no es adecuado para la batería de Kovalenko. Al moler las partículas de grafito, las capas se arrugan como papel arrugado. Solo pequeños iones de litio pueden penetrar este grafito arrugado, no los aniones gruesos de la nueva batería.
La batería de cátodo de grafito construida a partir de la producción de acero "grafito kish" o crudo, las escamas de grafito natural tienen el potencial de volverse altamente rentables. Y si los primeros experimentos son algo por lo que pasar, también es de larga duración. Durante varios meses un sistema de laboratorio sobrevivió a miles de ciclos de carga y descarga. "La batería de cátodo de grafito y cloruro de aluminio podría durar décadas en el uso doméstico diario, "explica Kravchyk y agrega" demostraciones similares, pero aumentaron aún más los voltajes de la batería, sin comprometer capacidades, y de elementos aún más ligeros están en camino y ofrecerán un mayor aumento en las densidades de energía de los actuales 60 Wh kg-1 a más de 150 Wh kg-1 "