Nanopartículas con “cáscara” y “yema” para mejorar las pilas recargables de ión-litio

Un gran problema al que se enfrentan los electrodos en las baterías recargables, a medida que pasan por repetidos ciclos de carga y descarga, es que deben expandirse y contraerse durante cada uno de ellos.

Esto lleva a una degradación severa del rendimiento de la batería con el paso del tiempo.   Ahora un equipo de investigadores en la Universidad Tsinghua en Pekín, China, y en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, ha encontrado una forma novedosa de evitar ese problema: crear un electrodo hecho de nanopartículas con una “cáscara” sólida y una “yema” dentro que pueda cambiar el tamaño una y otra vez sin afectar a la primera. La innovación podría reducir de forma drástica los efectos negativos de la sucesión de recargas y descargas y por ende prolongar de manera notable la vida útil de la batería, además de propiciar algunas otras mejoras.   La mayoría de las pilas de ion-litio actuales, la forma más ampliamente utilizada de baterías recargables, utiliza ánodos hechos de grafito, una forma de carbono. El grafito tiene una capacidad de almacenamiento de 0,35 amperios-hora por gramo (Ah/g); durante muchos años, los investigadores han explorado otras opciones que proporcionasen un mayor almacenamiento por unidad de peso. El litio, por ejemplo, puede almacenar 10 veces más energía por gramo, pero es extremadamente peligroso, capaz de provocar un cortocircuito o incluso un incendio. El silicio y el estaño tienen una capacidad muy alta, pero esta se desploma con ritmos de carga y descarga altos.  El aluminio es una opción de bajo coste con una capacidad teórica de 2 Ah/g. Pero el aluminio y otros materiales de alta capacidad se expanden mucho cuando alcanzan dicha alta capacidad, al absorber litio. Y después se encogen, cuando lo liberan.  Esta expansión y contracción de las partículas de aluminio genera una gran tensión mecánica, que puede ocasionar que los contactos eléctricos se desconecten.

Una nueva nanopartícula del tipo descrito como “yema y cáscara” podría mejorar de modo notable la durabilidad y otras prestaciones de las baterías de ión-litio. La esfera gris en el centro representa una nanopartícula de aluminio, formando la “yema”. La capa azul claro exterior representa una cáscara sólida de dióxido de titanio, y el espacio entre la “yema” y la “cáscara” permite a la primera expandirse y contraerse sin dañar a esta última. En segundo plano se muestra una imagen real, captada mediante microscopio, de un conjunto de estas nanopartículas yema-cáscara.  Ahí es donde entra en escena la idea de usar aluminio confinado en la forma de una nanopartícula con yema y cáscara. En el campo de la nanotecnología, existe una gran diferencia entre las partículas del tipo definido como “núcleo-cáscara” y las de la clase descrita como “yema-cáscara”. Las primeras tienen una cáscara que está unida directamente al núcleo, mientras que las partículas “yema-cáscara” presentan un espacio vacío entre las dos, equivalente a donde estaría la clara de un huevo. Como resultado de ello, el material “yema” puede expandirse y contraerse libremente, con poco efecto sobre las dimensiones y estabilidad de la “cáscara”.  Ju Li del MIT y sus colaboradores hicieron una cáscara de óxido de titanio que separa el aluminio del electrolito líquido entre los dos electrodos de la batería. La cáscara no se expande o contrae demasiado, así que la capa de la interfase sólido-electrolito en la cáscara es muy estable y no se desprende, y el interior de aluminio está protegido del contacto directo con el electrolito.

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