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nanobaterías

Imagen izquierda: muestra el aspecto de una batería de tamaño nanométrico mediante espectrometría electrónica de transmisión (TEM). Imágenes central y derecha: el NIST pudo util...

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Imagen izquierda: muestra el aspecto de una batería de tamaño nanométrico mediante espectrometría electrónica de transmisión (TEM). Imágenes central y derecha: el NIST pudo utilizar TEM para observar baterías de tamaño nanométrico y descubrió que probablemente existe un límite en cuanto al grosor de la capa de electrolito antes de que la batería falle. [ 1 ] Crédito: Talin/NIST Autor: Instituto Nacional de Estándares y Tecnología

Las nanobaterías son baterías fabricadas mediante tecnología a nanoescala , con partículas que miden menos de 100 nanómetros (10⁻⁹ metros ). [ 2 ] [ 3 ] Estas baterías pueden ser de tamaño nanométrico o utilizar nanotecnología en una batería a macroescala. Las baterías a nanoescala pueden combinarse para funcionar como una macrobatería, como por ejemplo dentro de una batería de nanoporos . [ 4 ]

La tecnología tradicional de baterías de iones de litio utiliza materiales activos, como óxido de cobalto u óxido de manganeso, con partículas cuyo tamaño oscila entre 5 y 20 micrómetros (5000 y 20000 nanómetros, más de 100 veces la nanoescala). Se espera que la nanoingeniería mejore muchas de las deficiencias de la tecnología actual de baterías, como la expansión de volumen y la densidad de potencia. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Fondo

Esquema básico del funcionamiento de una batería de iones. Las flechas azules indican la descarga. Si ambas flechas invirtieran su dirección, la batería se estaría cargando y se consideraría una batería secundaria (recargable) .

Una batería convierte la energía química en energía eléctrica y se compone de tres partes generales:

El ánodo y el cátodo tienen dos potenciales químicos diferentes, que dependen de las reacciones que ocurren en cada extremo. El electrolito puede ser un sólido o un líquido conductor iónico. [ 7 ] La ​​interfaz entre el electrodo y el electrolito se denomina interfase sólido-electrolito (SEI). Al conectar un circuito entre los electrodos, la energía química almacenada en la batería se convierte en energía eléctrica.

Limitaciones de la tecnología actual de baterías

La capacidad de una batería para almacenar carga depende de su densidad de energía y densidad de potencia . Es importante que la carga pueda permanecer almacenada y que se pueda almacenar una cantidad máxima de carga dentro de una batería. El ciclo de carga y descarga y la expansión de volumen también son consideraciones importantes. Si bien existen muchos otros tipos de baterías, la tecnología actual se basa en la tecnología de intercalación de iones de litio por sus altas densidades de potencia y energía, su larga vida útil y la ausencia de efecto memoria. Estas características han hecho que las baterías de iones de litio sean las preferidas sobre otros tipos de baterías. [ 8 ] Para mejorar una tecnología de baterías, se debe maximizar la capacidad de ciclado y la densidad de energía y potencia, y minimizar la expansión de volumen.

Durante la intercalación de litio, el volumen del electrodo se expande, lo que provoca una tensión mecánica. Esta tensión compromete la integridad estructural del electrodo, causando su agrietamiento. [ 5 ] Las nanopartículas pueden disminuir la cantidad de tensión aplicada a un material durante el ciclado de la batería, ya que la expansión de volumen asociada a las nanopartículas es menor que la asociada a las micropartículas. [ 5 ] [ 6 ] La pequeña expansión de volumen asociada a las nanopartículas también mejora la reversibilidad de la batería: la capacidad de la batería para soportar muchos ciclos sin perder carga. [ 6 ]

En la tecnología actual de baterías de iones de litio, la difusión del litio es lenta. Mediante la nanotecnología, se pueden lograr velocidades de difusión más rápidas. Las nanopartículas requieren distancias más cortas para el transporte de electrones, lo que conlleva velocidades de difusión más rápidas y una mayor conductividad, lo que en última instancia resulta en una mayor densidad de potencia. [ 5 ] [ 6 ]

Ventajas de la nanotecnología

El uso de la nanotecnología para la fabricación de baterías ofrece los siguientes beneficios: [ 9 ]

  • Aumentar la potencia disponible de una batería y disminuir el tiempo necesario para recargarla. Estos beneficios se logran recubriendo la superficie de un electrodo con nanopartículas, lo que incrementa su área superficial y permite que fluya más corriente entre el electrodo y los componentes químicos dentro de la batería. [ 10 ]
  • Los nanomateriales pueden utilizarse como recubrimiento para separar los electrodos de los líquidos presentes en la batería cuando esta no está en uso. En la tecnología actual de baterías, los líquidos y los sólidos interactúan, provocando una descarga de bajo nivel. Esto reduce la vida útil de la batería. [ 11 ]

Desventajas de la nanotecnología

La nanotecnología plantea sus propios desafíos en el ámbito de las baterías:

  • Las nanopartículas tienen baja densidad y gran superficie. Cuanto mayor sea la superficie, mayor será la probabilidad de que se produzcan reacciones en la superficie con el aire. Esto contribuye a desestabilizar los materiales de la batería. [ 6 ] [ 5 ]
  • Debido a la baja densidad de las nanopartículas, existe una mayor resistencia entre partículas, lo que disminuye la conductividad eléctrica del material. [ 12 ]
  • Los nanomateriales pueden ser difíciles de fabricar, lo que aumenta su costo. Si bien los nanomateriales pueden mejorar considerablemente las capacidades de una batería, su producción puede resultar prohibitiva en términos de costo. [ 10 ]

Investigación activa y pasada

Se han realizado numerosas investigaciones sobre las baterías de iones de litio para maximizar su potencial. Para aprovechar adecuadamente los recursos energéticos limpios, como la energía solar , eólica y mareomotriz , se requieren baterías capaces de almacenar grandes cantidades de energía utilizadas en el almacenamiento de energía en la red . Se están investigando los electrodos de fosfato de hierro y litio para posibles aplicaciones en el almacenamiento de energía en la red. [ 6 ]

Los vehículos eléctricos son otra tecnología que requiere baterías mejoradas. [ 13 ] Actualmente, las baterías de los vehículos eléctricos requieren largos tiempos de carga, lo que prácticamente prohíbe su uso en coches eléctricos de larga distancia. [ 5 ]

Materiales de ánodo nanoestructurados

Grafito y SEI

El ánodo en las baterías de iones de litio es casi siempre grafito . [ 8 ] Los ánodos de grafito necesitan mejorar su estabilidad térmica y lograr una mayor capacidad de potencia. [ 14 ] El grafito y ciertos otros electrolitos pueden experimentar reacciones que reducen el electrolito y crean una SEI (Interfase de Electrolito Sólido), lo que reduce efectivamente el potencial de la batería. Actualmente se están investigando nanorrevestimientos en la SEI para evitar que ocurran estas reacciones. [ 8 ]

En las baterías de iones de litio, la capa SEI es necesaria para la estabilidad térmica, pero dificulta el flujo de iones de litio desde el electrodo al electrolito. Park et al. han desarrollado un recubrimiento de polidopamina a nanoescala de tal manera que la capa SEI ya no interfiere con el electrodo; en cambio, la capa SEI interactúa con el recubrimiento de polidopamina. [ 14 ]

Grafeno y otros materiales de carbono

El grafeno se ha estudiado ampliamente para su uso en sistemas electroquímicos como las baterías desde su primer aislamiento en 2004. [ 15 ] El grafeno ofrece una gran superficie y buena conductividad. [ 16 ] En la tecnología actual de baterías de iones de litio, las redes 2D de grafito dificultan la intercalación fluida de iones de litio; estos deben desplazarse alrededor de las láminas de grafito 2D para alcanzar el electrolito. Esto ralentiza la velocidad de carga de la batería. Actualmente se están estudiando materiales de grafeno poroso para solucionar este problema. El grafeno poroso implica la formación de defectos en la lámina 2D o la creación de una superestructura porosa tridimensional basada en grafeno. [ 15 ]

Como ánodo, el grafeno proporcionaría espacio para la expansión, evitando así el problema de la expansión volumétrica. El grafeno 3D ha demostrado tasas de extracción de iones de litio extremadamente altas, lo que indica una elevada capacidad reversible. [ 15 ] Además, la visualización aleatoria de "castillo de naipes" que se observa a continuación del ánodo de grafeno permitiría almacenar iones de litio no solo en la superficie interna del grafeno, sino también en los nanoporos que existen entre las monocapas de grafeno. [ 17 ]

Raccichini et al. también describieron las desventajas del grafeno y los compuestos basados ​​en grafeno. El grafeno presenta un mecanismo irreversible importante durante la primera etapa de litiación. Debido a su gran superficie, esto resulta en una gran capacidad de irreversibilidad inicial. Propusieron que esta desventaja era tan grande que las celdas basadas en grafeno son "inviables". [ 17 ] Se sigue investigando sobre el grafeno en ánodos.

Los nanotubos de carbono se han utilizado como electrodos para baterías que utilizan intercalación, como las baterías de iones de litio, en un esfuerzo por mejorar la capacidad. [ 18 ]

Óxidos de titanio

Los óxidos de titanio son otro material de ánodo que se ha investigado por sus aplicaciones en vehículos eléctricos y almacenamiento de energía en la red. [ 6 ] Sin embargo, sus bajas capacidades electrónicas e iónicas, así como su alto costo, han hecho que este material sea menos favorable que otros materiales de ánodo. [ 8 ]

Ánodos a base de silicio

También se han investigado los ánodos a base de silicio, principalmente por su mayor capacidad teórica que la del grafito. [ 8 ] [ 19 ] Los ánodos a base de silicio tienen altas tasas de reacción con el electrolito, baja capacidad volumétrica y una expansión de volumen extremadamente grande durante el ciclado. [ 12 ] Sin embargo, trabajos recientes se han realizado para disminuir la expansión de volumen en los ánodos a base de silicio. Al crear una esfera de carbono conductor alrededor del átomo de silicio, Liu et al. han demostrado que este pequeño cambio estructural deja suficiente espacio para que el silicio se expanda y contraiga sin proporcionar tensión mecánica al electrodo. [ 12 ]

Materiales catódicos nanoestructurados

Las nanoestructuras de carbono se han utilizado para aumentar la capacidad de los electrodos, concretamente del cátodo. [ 6 ] [ 20 ] [ 21 ] En las baterías de LiSO 2 , la nanoestructuración de carbono pudo aumentar teóricamente la densidad de energía de la batería en un 70 % con respecto a la tecnología actual de baterías de iones de litio. [ 20 ] En general, se ha descubierto que las aleaciones de litio tienen una mayor densidad de energía teórica que los iones de litio. [ 5 ]

Tradicionalmente, el LiCoO₂ se ha utilizado como cátodo en baterías de iones de litio. El primer cátodo alternativo exitoso para su uso en vehículos eléctricos ha sido el LiFePO₄ . [ 8 ] El LiFePO₄ ha demostrado una mayor densidad de potencia, una vida útil más larga y una seguridad mejorada en comparación con el LiCoO₂ . [ 8 ]

Grafeno

Durante la intercalación, a) iones de litio en una red de grafito, b) iones de litio en una red de grafeno, c) iones de sodio que no pueden encajar en una red de grafito, d) iones de sodio en una red de grafeno [ 17 ]

El grafeno podría utilizarse para mejorar la conductividad eléctrica de los materiales catódicos. El LiCoO₂ , el LiMn₂O₄ y el LiFePO₄ son materiales catódicos de uso común en baterías de iones de litio. Estos materiales se suelen mezclar con otros materiales compuestos de carbono para mejorar su capacidad de carga y descarga. Dado que el grafeno tiene una conductividad eléctrica superior a la de otros materiales compuestos de carbono, como el negro de humo , posee una mayor capacidad para mejorar estos materiales catódicos que otros aditivos compuestos de carbono. [ 17 ]

Piao et al. estudiaron específicamente el grafeno poroso en relación con el grafeno solo. El grafeno poroso combinado con LiFePO₄ resultó ventajoso en comparación con el grafeno solo combinado con LiFePO₄ , debido a una mayor estabilidad del ciclo. [ 15 ] El grafeno poroso creó buenos canales de poros para la difusión de iones de litio y evitó la acumulación de partículas de LiFePO₄ . [ 15 ]

Raccichini et al. propusieron compuestos a base de grafeno como cátodos en baterías de iones de sodio . Los iones de sodio son demasiado grandes para encajar en la red típica del grafito, por lo que el grafeno permitiría su intercalación. También se ha sugerido el grafeno para solucionar algunos de los problemas relacionados con las baterías de litio-azufre . Los problemas asociados con las baterías de litio-azufre incluyen la disolución del intermediario en el electrolito, una gran expansión de volumen y una baja conductividad eléctrica. [ 17 ] Se ha mezclado grafeno con azufre en el cátodo en un intento por mejorar la capacidad, la estabilidad y la conductividad de estas baterías. [ 17 ]

electrodos de conversión

Los electrodos de conversión son electrodos donde los enlaces iónicos químicos se rompen y se reforman. También se produce una transformación de la estructura cristalina de las moléculas. [ 22 ] En los electrodos de conversión, se pueden alojar tres iones de litio por cada ion metálico, mientras que la tecnología de intercalación actual solo puede alojar un ion de litio por cada ion metálico. [ 6 ] Mayores proporciones de iones de litio a iones metálicos indican una mayor capacidad de la batería. Una desventaja de los electrodos de conversión es su gran histéresis de voltaje . [ 22 ]

Cartografía

Balke et al. buscan comprender el mecanismo de intercalación de las baterías de iones de litio a nanoescala. [ 23 ] Este mecanismo se comprende a microescala, pero el comportamiento de la materia cambia según el tamaño del material. Zhu et al. también están mapeando la intercalación de iones de litio a nanoescala mediante microscopía de sonda de barrido . [ 24 ]

Se han calculado modelos matemáticos para la intercalación de baterías de litio y aún se encuentran en investigación. [ 25 ] [ 26 ] Whittingham sugirió que no existía un único mecanismo por el cual los iones de litio se mueven a través del electrolito de la batería. El movimiento dependía de una variedad de factores que incluían, entre otros, el tamaño de las partículas, el estado termodinámico o metaestable de la batería y si la reacción operaba de forma continua. [ 25 ] Sus datos experimentales para LiFePO 4 – FePO 4 sugirieron que el movimiento de los iones de litio seguía una trayectoria curva en lugar de un salto lineal dentro del electrolito. [ 25 ]

También se han estudiado los mecanismos de intercalación para cationes polivalentes. Lee et al. estudiaron y determinaron el mecanismo de intercalación adecuado para baterías recargables de zinc. [ 27 ]

Electrónica elástica

Estos electrodos fibrosos se enrollan como resortes para obtener su flexibilidad. a) es un resorte sin estirar y b) es un resorte parcialmente estirado, lo que muestra la flexibilidad de estas fibras. [ 28 ]

También se han realizado investigaciones para utilizar resortes de fibra de nanotubos de carbono como electrodos. [ 28 ] Las nanopartículas LiMn 2 O 4 y Li 4 Ti 5 O 12 se han utilizado como cátodo y ánodo respectivamente, y han demostrado la capacidad de estirarse un 300 % de su longitud original. Las aplicaciones de la electrónica elástica incluyen dispositivos de almacenamiento de energía y células solares. [ 28 ]

Baterías imprimibles

Investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles, han desarrollado con éxito una "tinta de nanotubos" para la fabricación de baterías flexibles mediante técnicas de electrónica impresa . [ 18 ] Se ha utilizado una red de nanotubos de carbono como una forma de nanocables conductores de electricidad en el cátodo de una batería de zinc-carbono . Utilizando la tinta de nanotubos, los componentes del tubo del cátodo de carbono y el electrolito de óxido de manganeso de la batería de zinc-carbono se pueden imprimir como diferentes capas sobre una superficie, sobre la cual se puede imprimir una capa de ánodo de lámina de zinc. Esta tecnología reemplaza los colectores de carga como láminas o películas metálicas con una matriz aleatoria de nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono añaden conductancia. [ 18 ] Se pueden fabricar baterías delgadas y flexibles de menos de un milímetro de espesor.

Aunque las corrientes de descarga de las baterías actualmente están por debajo del nivel de uso práctico, los nanotubos en la tinta permiten que la carga se conduzca de manera más eficiente que en una batería convencional, de modo que la tecnología de nanotubos podría conducir a mejoras en el rendimiento de la batería. [ 29 ] Esta tecnología es aplicable a células solares , supercondensadores , diodos emisores de luz y etiquetas inteligentes de identificación por radiofrecuencia (RFID).

Investigar empresas

Toshiba

Mediante el uso de nanomateriales, Toshiba ha aumentado la superficie del litio y ampliado el cuello de botella, permitiendo que las partículas atraviesen el líquido y recarguen la batería más rápidamente. Toshiba afirma haber probado una nueva batería descargándola y recargándola completamente mil veces a 77  °C, y comprobó que solo perdió el uno por ciento de su capacidad, lo que indica una larga vida útil de la batería. La batería de Toshiba tiene 3,8  mm de grosor, 62  mm de alto y 35  mm de profundidad.

Sistemas A123

A123Systems también ha desarrollado una batería de iones de litio nano comercial. A123 Systems afirma que su batería tiene el rango de temperatura más amplio , de -30 a +70 °C . Al igual que la nanobatería de Toshiba, las baterías de iones de litio de A123 se cargan a "alta capacidad" en cinco minutos. La seguridad es una característica clave que destaca la tecnología de A123, con un video en su sitio web que muestra una prueba de clavado, en la que se clava un clavo a través de una batería de iones de litio tradicional y una batería de iones de litio de A123. Mientras que la batería tradicional se incendia y burbujea en un extremo, la batería de A123 simplemente emite una pequeña cantidad de humo en el punto de penetración. La conductividad térmica es otro punto fuerte de la batería de A123, ya que afirman que ofrece una conductividad térmica cuatro veces mayor que las celdas cilíndricas de iones de litio convencionales. La nanotecnología que emplean es una tecnología de nanofosfato patentada.

Valencia

También presente en el mercado se encuentra Valence Technology , Inc. La tecnología que comercializan es la tecnología de iones de litio Saphion . Al igual que A123, utilizan una tecnología de nanofosfatos y materiales activos diferentes a los de las baterías de iones de litio tradicionales.

Altair

AltairNano también ha desarrollado una nanobatería con un tiempo de recarga de un minuto. El avance que Altair afirma haber logrado radica en la optimización del óxido de espinela de titanato de litio (LTO) nanoestructurado.

Fotónica de EE. UU.

US Photonics está desarrollando una nanobatería que utiliza nanomateriales ecológicos tanto para el ánodo como para el cátodo, así como matrices de nanoceldas individuales para el electrolito de polímero sólido. US Photonics ha recibido una subvención de la fase I del programa SBIR de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) para el desarrollo de esta tecnología de nanobaterías.

Sony

En 1991, Sony fabricó la primera batería de iones de litio basada en cobalto. Desde entonces, la investigación sobre nanobaterías ha estado en marcha, y Sony continúa avanzando en este campo.

Véase también

Referencias

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