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Baterías rápidas y duraderas por venir

  • 30 de diciembre de 2021
  • Publicado por: Juan Manuel
  • Categoría: novedades
432 comentarios
22.12.2021 – Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Un prometedor material para el ánodo de las baterías de iones de litio podría permitir la carga extremadamente rápida de las baterías de los vehículos eléctricos

Noriyoshi Matsumi from JAIST

El poli (benzimidazol), precursor del anodematerial propuesto, puede derivarse de procesos biológicos y procesarse fácilmente para crear baterías de iones de litio de carga rápida. Su adopción en los vehículos eléctricos los hará más atractivos para los consumidores que los coches convencionales, lo que redundará en un entorno más limpio y en la reducción de las emisiones de CO2.

Ante la preocupación por el cambio climático, cada vez son más los investigadores que se centran en mejorar los vehículos eléctricos (VE) para convertirlos en una alternativa más atractiva a los coches de gasolina convencionales. La mejora de las baterías de los VE es una cuestión clave para atraer más unidades. Además de seguridad, autonomía y durabilidad, la mayoría de la gente quiere rapidez en la carga. En la actualidad, los vehículos eléctricos de última generación tardan 40 minutos en cargarse, mientras que los coches de gas pueden “recargarse” en no más de cinco minutos. El tiempo de carga debe ser inferior a 15 minutos para ser una opción viable.
No es de extrañar que las baterías de iones de litio (LIB), que se utilizan en todas partes con dispositivos electrónicos portátiles, hayan sido reconocidas como una opción en el campo de los VE, y siempre se buscan nuevas estrategias para mejorar su rendimiento. Una forma de acortar el tiempo de carga de las LIBs es aumentar la velocidad de difusión de los iones de litio, lo que a su vez puede hacerse aumentando la distancia entre capas en los materiales a base de carbono utilizados en el ánodo de la batería. Aunque esto se ha conseguido con cierto éxito introduciendo impurezas de nitrógeno (lo que técnicamente se denomina “dopaje de nitrógeno”), no hay ningún método fácilmente disponible para controlar la distancia entre capas o para concentrar el elemento de dopaje.

En este contexto, un equipo de científicos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) ha desarrollado recientemente un método de fabricación de ánodos que podría conducir a una carga extremadamente rápida de las baterías de litio. El equipo, dirigido por el profesor Noriyoshi Matsumi, está formado por el profesor Tatsuo Kaneko, el profesor titular Rajashekar Badam, el especialista técnico del JAIST Koichi Higashimine, la investigadora del JAIST Yueying Peng y la estudiante del JAIST Kottisa Sumala Patnaik, y sus resultados se publicaron en línea el 24 de noviembre de 2021 en Chemical Communications.
Su estrategia constituye una forma relativamente sencilla, respetuosa con el medio ambiente y muy eficiente de producir un ánodo basado en el carbono con un contenido muy alto de nitrógeno. El material precursor del ánodo es el poli (benzimidazol), un polímero de base biológica que puede sintetizarse a partir de materias primas de origen biológico. Calcinando este material térmicamente estable a 800 °C, el equipo consiguió preparar un ánodo de carbono con un contenido de nitrógeno del 17% en peso, lo que supone un récord. Comprobaron el éxito de la síntesis de este material y estudiaron su composición y propiedades estructurales mediante diversas técnicas, como la microscopía electrónica de barrido en túnel, la espectroscopia Raman y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.

Para comprobar el rendimiento de su ánodo y compararlo con el grafito más común, los investigadores construyeron medias celdas y celdas completas, y realizaron experimentos de carga y descarga. Los resultados fueron muy prometedores, ya que el material del ánodo propuesto resultó adecuado para la carga rápida, gracias a su mejor cinética de iones de litio. Además, las pruebas de durabilidad mostraron que las baterías con el material anódico propuesto conservaban alrededor del 90% de su capacidad inicial incluso después de 3.000 ciclos de carga y descarga a altas velocidades, lo que es considerablemente más que la capacidad retenida por las celdas basadas en grafito.
Entusiasmado con los resultados, el profesor Matsumi comenta: “La velocidad de carga extremadamente rápida con el material anódico que hemos preparado podría hacerlo apto para su uso en vehículos eléctricos. Es de esperar que unos tiempos de carga mucho más cortos atraigan a los consumidores a elegir los VE en lugar de los vehículos de gasolina, lo que en última instancia conducirá a un entorno más limpio en todas las grandes ciudades del mundo.”

Otra ventaja notable del material anódico propuesto es el uso de un polímero de origen biológico en su síntesis. Al tratarse de una tecnología de bajas emisiones de carbono, el material produce naturalmente un efecto sinérgico que reduce aún más las emisiones deCO2. Además, como señala el profesor Matsumi, “el uso de nuestro enfoque hará avanzar el estudio de las relaciones estructura-propiedad en materiales anódicos con capacidad de carga-descarga rápida”.

Las modificaciones de la estructura del precursor polimérico podrían dar lugar a un rendimiento aún mayor, lo que podría ser relevante para las baterías no sólo de los vehículos eléctricos, sino también de la electrónica portátil. Por último, el desarrollo de baterías altamente duraderas disminuirá el consumo mundial de metales raros, que son recursos no renovables.
Esperemos que los futuros avances en este campo allanen el camino hacia la adopción generalizada de los coches eléctricos y otras tecnologías ecológicas.

 

 

Fuente: Química.es

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