Un nuevo material derivado de la madera podría allanar el camino hacia unas mejores baterías y más seguras.
En comparación con los sistemas tradicionales de baterías de iones de litio, las baterías de estado sólido podrían lograr una mayor seguridad y una mayor densidad energética. Sin embargo, los actuales conductores de iones sólidos no satisfacen los rigurosos requisitos del funcionamiento de las baterías.
Un equipo de investigación de la Universidad de Brown y la Universidad de Maryland ha desarrollado un nuevo material para su uso en baterías de estado sólido que se deriva de los árboles.
Los investigadores demuestran un conductor iónico sólido que combina cobre con nanofibrilas de celulosa, que son tubos de polímero derivados de la madera.
Este material tan fino como el papel presenta una conductividad entre 10 y 100 veces mejor que la de otros conductores iónicos poliméricos.
Los investigadores afirman que podría utilizarse como electrolito de una batería sólida o como aglutinante conductor de iones para el cátodo de una batería de estado sólido.
Las actuales baterías de iones de litio utilizan electrolitos hechos de sal de litio disuelta en un disolvente orgánico líquido. A altas corrientes, pueden formarse diminutos filamentos de metal de litio -dendritas- en el electrolito que provocan cortocircuitos. Los electrolitos líquidos se fabrican con productos químicos inflamables y tóxicos, que pueden incendiarse si el dispositivo entra en cortocircuito.
Los electrolitos sólidos pueden fabricarse con materiales no inflamables, tienen el potencial de evitar la penetración de dendritas y podrían abrir posibilidades totalmente nuevas en torno a la arquitectura de las baterías. Muchos de los electrolitos sólidos investigados hasta ahora están hechos de materiales cerámicos, que son excelentes conductores de iones, pero también son gruesos, rígidos y frágiles. Son muy eficaces en la conducción de iones, pero no resisten bien las tensiones durante la fabricación y la carga y descarga, lo que provoca grietas y roturas.
Sin embargo, el nuevo material presentado en el estudio es delgado y flexible, casi como una hoja de papel, y su conductividad de iones está a la altura de la cerámica. El estudio de modelización reveló que el cobre aumenta el espacio entre las cadenas de polímeros de celulosa, lo que crea superautopistas de iones, permitiendo que los iones de litio viajen con una eficiencia récord.
Al incorporar cobre con nanofibrillas de celulosa unidimensionales, demostramos que la celulosa, normalmente aislante de iones, ofrece un transporte de iones de litio más rápido dentro de las cadenas de polímeros. De hecho, descubrimos que este conductor de iones alcanzó un récord de conductividad iónica entre todos los electrolitos poliméricos sólidos.
Liangbing Hu, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de la Universidad de Maryland.
Los investigadores también afirman que tiene la estabilidad electroquímica necesaria para alojar un ánodo de litio-metal y cátodos de alto voltaje o que podría actuar como material aglutinante que encapsule cátodos funcionales ultra gruesos en baterías de alta densidad.
Los iones de litio se mueven en este electrolito sólido orgánico a través de mecanismos que normalmente encontramos en la cerámica inorgánica, lo que permite una conductividad iónica récord. El uso de materiales que proporciona la naturaleza reducirá el impacto global de la fabricación de baterías en nuestro medio ambiente.
Liangbing Hu
Tienen la esperanza de que el nuevo material pueda ser un paso hacia la introducción de la tecnología de las baterías de estado sólido en el mercado global.
Más información: www.nature.com (texto en inglés).
Vía www.brown.edu
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