Una batería «vegetal» reciclable podría alimentar los dispositivos móviles de forma más eficiente

Actualizado: 15/12/2021

Un nuevo tipo de batería impresa en 3D que utiliza electrodos fabricados con almidón vegetal y nanotubos de carbono podría proporcionar a los dispositivos móviles una fuente de energía más ecológica y de mayor capacidad.

Las baterías de iones de litio son ligeras, compactas y tienen capacidad para soportar muchos ciclos de carga y descarga. Esto ha hecho que sean idóneas para su uso en una amplia gama de dispositivos, como ordenadores portátiles, teléfonos móviles, relojes inteligentes y vehículos eléctricos.

Al igual que muchas baterías, las de iones de litio constan de un electrodo positivo, a menudo hecho de óxido de cobalto de manganeso y litio o fosfato de hierro y litio, y un electrodo negativo, a menudo hecho de metal de litio. Durante la carga, los iones de litio fluyen a través de un electrolito desde el electrodo positivo hasta el negativo, donde se almacenan. Durante el uso, los iones fluyen en la dirección opuesta, generando energía para alimentar dispositivos a través de una reacción electroquímica.

Una de las limitaciones físicas de la cantidad de energía que los diseños actuales de baterías de iones de litio pueden almacenar y liberar es el grosor de sus electrodos. Los electrodos más gruesos limitan la difusión de los iones a través del electrodo, limitando así la capacidad de las baterías de iones de litio. El aumento del grosor de los electrodos también disminuye su tolerancia a la tensión, lo que los hace más propensos a agrietarse. Cuando un electrodo se rompe, la batería queda inutilizada.

La batería del equipo de Glasgow pretende lograr un mejor equilibrio entre el tamaño y la superficie de los electrodos introduciendo en su diseño diminutos agujeros a nano y microescala, o poros. Al acribillar la superficie y el interior de los electrodos con poros, pueden aumentar considerablemente la superficie en comparación con un electrodo sólido de las mismas dimensiones externas.

Para ello, usaron impresión 3D, para controlar estrictamente el tamaño y la ubicación de todos y cada uno de los poros de sus electrodos.

Cargaron su impresora 3D con un material que desarrollaron y que combina ácido poliláctico, fosfato de litio y hierro y nanotubos de carbono. El ácido poliláctico es un material biodegradable procesado a partir del almidón del maíz, caña de azúcar y remolacha azucarera, lo que aumenta la capacidad de reciclaje de la batería.

Experimentaron con la fabricación de electrodos circulares de tres grosores diferentes, de 100, 200 y 300 micras. Cada electrodo se probó con diferentes combinaciones de materiales, variando la cantidad de nanotubos de carbono en la mezcla de materiales del 3 al 10 % en peso, y la porosidad del 10 al 70 %, introduciendo rejillas de agujeros muy controladas en todo el electrodo.

La batería de electrodos de 300 micras con un 70% de porosidad fue la que mejor funcionó durante las pruebas, con una capacidad específica de 151 miliamperios-hora por gramo, o mAh/g, la medida estándar de la cantidad de carga que puede mantener una batería. Esto supone entre dos y tres veces el rendimiento de una batería tradicional de iones de litio con un electrodo sólido del mismo grosor.

La mayor porosidad, y por tanto la mayor superficie, del electrodo más grueso de 300 micras también influyó en la capacidad real de la batería. El electrodo más grueso era capaz de almacenar 4,4 miliamperios-hora por centímetro cuadrado (o mAh cm-2) en comparación con los 1,7 mAh cm-2 conseguidos en el electrodo de 100 micras, lo que supone un aumento del 158%.

La investigación fue dirigida por el Dr. Shanmugam Kumar, de la Escuela de Ingeniería James Watt de la Universidad de Glasgow, junto con colegas de la Universidad Khalifa de Ciencia y Tecnología de Abu Dhabi, y la Universidad A&M de Texas y la Universidad Estatal de Arizona, en Estados Unidos.

Las baterías de iones de litio son cada vez más comunes en la vida cotidiana y es probable que sigan aumentando su uso a medida que avancemos hacia una mayor electrificación del transporte y un mundo más sostenible. Sin embargo, las baterías de iones de litio tienen sus propios problemas de sostenibilidad, por lo que es importante que busquemos nuevas formas de hacerlas mejores y más respetuosas con el medio ambiente.

El proceso de impresión en 3D que hemos usado en esta investigación nos proporciona un notable control sobre la porosidad de los electrodos, lo que nos ha permitido diseñar con gran precisión un nuevo metamaterial capaz de resolver algunas de las deficiencias de la actual generación de baterías de iones de litio. Hemos creado una batería con una capacidad específica y una capacidad de área elevadas y con una excelente ciclabilidad.

Estos son resultados iniciales prometedores, y estamos deseosos de seguir explorando las posibilidades que ofrece este tipo de materiales para crear baterías mejores y más reciclables para los futuros consumidores.

Dr. Shanmugam Kumar

Más información: www.sciencedirect.com

Vía www.gla.ac.uk