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» » Nanoscoop, nueva generación de baterías Li-ion

Un nuevo tipo de nanomaterial, desarrollado en el Instituto Politécnico Rensselaer, podría hacer posible una próxima generación las baterías recargables de iones de litio (Li) de alta potencia, para los automóviles eléctricos, así como baterías para portátiles, teléfonos móviles y otros dispositivos.

El nuevo material, llamado "nanoscoop", debido a que su forma se asemeja al típico cono con una bola de helado en su parte superior, puede soportar altísimas tasas de carga y descarga que causarían que los electrodos convencionales usados en las baterías actuales de Li-ion se deteriorasen rápidamente y fallaran. El éxito de nanoscoop radica en su composición material única y en su estructura y tamaño.

El equipo de investigadores de Rensselaer, dirigido por el profesor Nikhil Koratkar, hizo una demostración de cómo un electrodo nanoscoop puede cargar y descargar a una velocidad de 40 a 60 veces más rápido que los ánodos de una batería convencional, mientras seguía manteniendo una densidad de energía comparable. Esta actuación estelar, que se ha logrado por encima de los 100 ciclos de carga y descarga continua, hace que el equipo confíe en que su nueva tecnología tiene un potencial significativo para el diseño y realización de baterías de Li-ion recargables de alta potencia y capacidad.

"Cargar el portátil o el móvil en pocos minutos, en lugar de una hora, suena muy bien", comentó Koratkar, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica, Aeroespacial y Nuclear de Rensselaer. "Y utilizar nuestro nanoscoop como ánodo en la arquitectura de las baterías recargables de Li-ion, es una posibilidad muy real. Además, esta tecnología podría ser incrementada para satisfacer la demanda de baterías para automóviles eléctricos."

Baterías para vehículos eléctricos deben cumplir unas altas densidades de potencia, además de una alta densidad energética, explicaba Koatkar. Estos vehículos utilizan supercondensadores que realizan las funciones de potencia intensiva, como el arranque del vehículo y una rápida aceleración, junto con las baterías convencionales que desarrollan una alta densidad de energía para la conducción normal de crucero y otras operaciones. Koratkar afirmó que los nanoscoops permiten que estos dos sistemas separados se combinen en una sola unidad, dando como resultado una batería más eficiente.

Los resultados de este estudio se detallan en el documento "Functionally Strain-Graded Nanoscoops for High Power Li-Ion Battery Anodes", publicado por la revista Nano Letters.

La estructura del ánodo de una batería de Li-ion, físicamente crece y decrece conforme la batería se carga o descarga. Durante la carga, la adición de iones de litio aumenta el volumen del ánodo, mientras que la descarga tiene el efecto contrario. Estos cambios de volumen dan como resultado una acumulación de tensión en el ánodo.  Cuando se produce una excesiva tensión acumulándose demasiado rápido, como es el caso de una batería de carga o descarga de alta velocidad, puede hacer que la batería falle prematuramente. Esta es la razón de una carga tan lenta en la mayoría de las baterías de dispositivos electrónicos portátiles de hoy en día, como los móviles y portátiles, la velocidad de carga tan lenta es intencional y está diseñada para proteger la batería de un daño inducido por el estrés.

El equipo de nanoscoop de Rensselaer, no obstante, ha sido diseñado para soportar esta acumulación de estrés. Hechos básicamente de nanorod de carbono (C) cubiertos con una fina capa de aluminio a nanoescala (Al) y una "scoop" de silicio a nanoescala (Si), son estructuras flexibles y capaces de aceptar la descarga de forma rápida y los Li·iones a velocidades extremadamente rápidas, sin sufrir daños significativos. La estructura segmentada del nanoscoop permite la tensión de transferencia progresiva desde la base C (carbono) a la capa de Al (aluminio), y finalmente al scoop de Si (silicio). Esta gradación de la tensión natural proporciona una transición menos abrupta de la tensión a través de las interfaces de los distintos materiales, lo que mejora la integridad estructural de los electrodos.

El tamaño a nanoescala de la scoop es también de vital importancia, ya que las nanoestructuras son menos propensas a la rotura que los materiales de mayor tamaño, según dice Koratkar.

"Debido a su tamaño nanométrico, nuestros nanoscoops pueden absorber y liberar Li (litio) a altas velocidades mucho más eficazmente que los ánodos a macroescala, utilizados actualmente en las baterías actuales de Li-ion", declaró. "Esto significa que nuestros nanoscoop puede ser la solución al problema fundamental que enfrentan las compañías de automóviles y otros fabricantes de la baterías: ¿cómo aumentar la densidad de potencia de una batería manteniendo intacta la alta densidad de energía."

Una limitación de la arquitectura nanoscoop es la relativamente baja masa total de electrodos, señaló Koratkar. Para resolver esto, los siguientes pasos del equipo es ir probando scoops con mayor masa, o desarrollar un método capaz de apilar nanoscoops en capas, en la parte superior de cada uno. Otra posibilidad que el equipo está explorando, consiste en la colocación de nanoscoops en grandes superficies flexibles, los cuales pueden ser laminados o de forma que encajen a lo largo del contorno o chasis del automóvil.

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Editor del blog Pedro Donaire

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