Una nueva membrana de batería de inspiración biológica ha permitido que una batería con una capacidad cinco veces superior a la del diseño de iones de litio estándar de la industria funcione durante los más de mil ciclos necesarios para alimentar un coche eléctrico.
Un equipo de la Universidad de Michigan ha demostrado que una red de nanofibras de aramida, recicladas a partir del kevlar, puede hacer que las baterías de litio-azufre superen su talón de Aquiles en cuanto a la duración de los ciclos, es decir, el número de veces que puede cargarse y descargarse.
Hay varios informes que afirman que las baterías de litio-azufre tienen varios cientos de ciclos, pero esto se consigue a costa de otros parámetros: capacidad, velocidad de carga, resistencia y seguridad. Hoy en día, el reto consiste en fabricar una batería que aumente la velocidad de ciclado de los 10 ciclos anteriores a cientos de ciclos y satisfaga otros muchos requisitos, incluido el coste.
La ingeniería biomimética de estas baterías integró dos escalas: la molecular y la nanoescala. Por primera vez, integramos la selectividad iónica de las membranas celulares y la dureza del cartílago. Nuestro enfoque de sistema integrado nos permitió abordar los retos generales de las baterías de litio-azufre.
Nicholas Kotov, director de la investigación.
Anteriormente, su equipo había recurrido a redes de nanofibras de aramida infundidas con un gel electrolítico para detener una de las principales causas de la corta duración de los ciclos: las dendritas que crecen de un electrodo a otro, perforando la membrana. La dureza de las fibras de aramida detiene las dendritas.
Pero las baterías de litio-azufre tienen otro problema: se forman pequeñas moléculas de litio y azufre que fluyen hacia el litio, adhiriéndose y reduciendo la capacidad de la batería. La membrana debe permitir que los iones de litio fluyan del litio al azufre y viceversa, y bloquear las partículas de litio y azufre, conocidas como polisulfuros de litio. Esta capacidad se denomina selectividad iónica.
Inspirándonos en los canales iónicos biológicos, diseñamos autopistas para los iones de litio en las que los polisulfuros de litio no pueden pasar los peajes.
Ahmet Emre, investigador postdoctoral.
Los iones de litio y los polisulfuros de litio tienen un tamaño similar, por lo que no bastaba con bloquear los polisulfuros de litio haciendo canales pequeños. Imitando los poros de las membranas biológicas, los investigadores de la U-M añadieron una carga eléctrica a los poros de la membrana de la batería.
Lo hicieron aprovechando los propios polisulfuros de litio: Se adhirieron a las nanofibras de aramida, y sus cargas negativas repelieron los iones de polisulfuro de litio que siguieron formándose en el electrodo de azufre. Sin embargo, los iones de litio cargados positivamente podían pasar libremente.
Conseguir niveles récord en múltiples parámetros para múltiples propiedades de los materiales es lo que se necesita ahora para las baterías de los coches. Es un poco parecido a la gimnasia para los Juegos Olímpicos: hay que ser perfecto en todo, incluida la sostenibilidad de su producción.
Nicholas Kotov
Como batería, Kotov dice que el diseño es «casi perfecto», con su capacidad y eficiencia acercándose a los límites teóricos. También puede soportar las temperaturas extremas de la vida del vehículo, desde el calor de la carga a pleno sol hasta el frío del invierno. Sin embargo, la vida útil en el mundo real puede ser más corta con la carga rápida, más bien 1.000 ciclos, dice. Esto se considera una vida útil de diez años.
Además de su mayor capacidad, las baterías de litio-azufre presentan ventajas de sostenibilidad respecto a otras baterías de iones de litio. El azufre es mucho más abundante que el cobalto de los electrodos de iones de litio. Además, las fibras de aramida de la membrana de la batería pueden reciclarse a partir de viejos chalecos antibalas.
Más información: www.nature.com (texto en inglés).
Vía umich.edu
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