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5 de Marzo de 2018
Energía

La adición de grafeno aumenta la vida útil de las baterías de litio

La mejora en la circulación de los iones de litio y la menor degradación del ánodo podría lograr que las baterías de los teléfonos móviles y los coches eléctricos fuesen mucho más duraderas.

Batería recargable de iones de litio. [Coprid/iStock]

Cómo alargar la vida útil de las baterías recargables basadas en iones litio ha sido y sigue siendo un rompecabezas tanto para los investigadores como para la industria. Ahora, un grupo de la Universidad de Warwick ha hallado una forma de prolongar la vida útil del electrodo de estas baterías. Para ello, los investigadores han reemplazado el grafito, un material usado habitualmente en el ánodo, por una mezcla que contiene partículas de silicio y capas de grafeno. Esta nueva combinación de materiales permite aumentar de manera notable el número de ciclos de carga y descarga de las baterías y podría adaptarse a su fabricación a gran escala. Los resultados se publican en Scientific Reports.

Las baterías de iones de litio son dispositivos recargables de uso común que podemos encontrar en nuestros aparatos electrónicos (teléfonos, cámaras digitales, tabletas), así como en vehículos eléctricos (bicicletas y coches híbridos o eléctricos). En ellas, los iones de litio viajan desde el electrodo negativo hasta el positivo durante la descarga y, posteriormente, en sentido contrario durante la carga. 

Desde el lanzamiento de la primera batería comercial de este tipo en 1991, el grafito ha sido la opción más usada como material activo en el electrodo negativo (ánodo); es decir, como uno de los materiales que participa en las reacciones electroquímicas de carga y descarga. Sin embargo, hace tiempo que investigadores y fabricantes buscan una manera de remplazarlo por silicio, ya que este es un material abundante y capaz de proporcionar hasta diez veces más energía por unidad de masa. Por desgracia, el silicio adolece de varios problemas de rendimiento que limitan su uso comercial.

La mayoría de esos problemas tienen que ver con la incorporación del litio a los electrodos. Cuando eso ocurre, las partículas de silicio aumentan de volumen y se aglomeran de tal forma que dificultan el paso de los iones durante los procesos de carga y descarga. Además, la rigidez del silicio hace que el ánodo se degrade y se agriete cuando la batería se carga repetidas veces. Ambos fenómenos aminoran tanto la capacidad de carga de la batería como el tiempo que esta dura cargada. En general, son este tipo de procesos los que hacen que, a medida que pasan los meses, cargar nuestro teléfono móvil requiera más tiempo y que, una vez cargado, la batería se agote más rápido que cuando el dispositivo era nuevo. 

A lo largo de los años se han desarrollado diferentes estrategias para superar los problemas que acarrea el uso del silicio en las baterías de litio, aunque sin hallar una solución satisfactoria que permita su producción a gran escala. El nuevo estudio, dirigido por Melanie Loveridge, investigadora del Grupo de Fabricación de la Universidad de Warwick, ha descrito una técnica que podría constituir la base de una batería viable y apta para su producción industrial. Para ello, los autores consideraron una mezcla de silicio y grafeno, el alótropo del carbono formado por capas de un único átomo de espesor. 

En concreto, los investigadores usaron una forma de este material conocida como «grafeno de pocas capas»; es decir, varias láminas de las mismas dimensiones apiladas unas con otras. Tras experimentar con diferentes cantidades relativas de silicio y grafeno, dieron con una mezcla que lograba mantener el 80 por ciento de la capacidad de carga de la batería durante más de 230 ciclos de carga y descarga, el doble de ciclos que cuando no coexisten dichos materiales.

Así pues, el trabajo sugiere que la cantidad apropiada de grafeno de pocas capas y partículas de silicio solventaría parcialmente los problemas de los que hoy adolecen las baterías de iones de litio basadas en silicio. De cara al futuro, los investigadores estudiarán la producción industrial de compuestos de silicio y grafeno y su incorporación a baterías en aplicaciones de alta potencia.

Fuente: Universidad de Warwick 

Referencia: «Electrochemical evaluation and phase-related impedance studies on silicon-few-layer graphene (FLG) composite electrode systems». Qianye Huang et al. en Scientific Reports, vol. 8, art. 1386, 23 de enero de 2018.

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