Mejorar las baterías de iones de litio de alta energía con relleno de carbono

Las baterías de iones de litio son la principal fuente de energía recargable para muchos dispositivos portátiles y vehículos eléctricos, pero su uso es limitado porque no proporcionan una gran potencia de salida y al mismo tiempo permiten el almacenamiento de energía reversible. Las investigaciones que figuran en Applied Physics Reviews, de la editorial AIP, tienen por objeto ofrecer una solución mostrando cómo la inclusión de rellenos conductores mejora el rendimiento de las baterías.

El diseño óptimo de la batería implica estructuras de electrodos gruesos. Esto mejora la densidad de energía, pero el diseño sufre de un pobre transporte de iones de litio, un paso clave en el funcionamiento de estos electrodos. Se han probado varias técnicas de mejora, como la construcción de canales alineados verticalmente o la creación de poros del tamaño adecuado para facilitar el transporte de los iones de litio.

Otro enfoque consiste en el uso de rellenos hechos de carbono que conducen la electricidad. En este estudio se consideraron tres tipos de rellenos: nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), nanoplacas de grafeno y una sustancia conocida como Super P, un tipo de partículas de negro de carbón producidas durante la oxidación de los precursores del petróleo. Super P es el relleno conductor más utilizado en las baterías de iones de litio.

Los rellenos se añadieron a un tipo de material de electrodos conocido como NCM que contiene níquel, cobalto y manganeso. Los investigadores examinaron los compuestos resultantes con microscopía electrónica de barrido. Se descubrió que las partículas Super P y NCM estaban dispuestas en un modo de contacto punto a punto.

Sin embargo, los SWCNT se envolvieron alrededor de las partículas NCM, formando una capa conductora. Además, se observaron redes de SWCNT interconectadas en los espacios entre las partículas NCM. Las nano láminas de grafeno también se envolvieron alrededor de las partículas de electrodos NCM, pero no de forma tan uniforme como los SWCNT.

Se descubrió que los SWCNT eran el mejor relleno conductivo para los electrodos NCM.

"La conductividad medida es consistente con la teoría de percolación... Cuando se añade un relleno conductor de electricidad a una matriz aislante, se producen aumentos significativos de la conductividad una vez que se forma la primera vía conductora a través del compuesto", dijo Guihua Yu, uno de los autores.

Dado que la percolación requiere una vía completa a través del relleno, se necesita una cantidad suficiente de relleno conductor. Por lo tanto, los investigadores consideraron varias cantidades de relleno y encontraron que la combinación de electrodos de NCM con tan sólo un 0,16% en peso de SWCNT producía una buena conductividad eléctrica. Se necesitaron mayores cantidades de Super P y grafeno para lograr estos mismos resultados.

Los investigadores utilizaron varias técnicas espectroscópicas, entre ellas la espectroscopia Raman y la espectroscopia de absorción de rayos X, para estudiar los compuestos resultantes.

"Este es un esfuerzo de colaboración del Centro de Propiedades de Transporte a Mesoescala, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía apoyado por el programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Nuestros hallazgos sugieren que la integración de los SWCNT en el electrodo NCM facilita la transferencia de iones y cargas. Esto conducirá a una mayor utilización electroquímica, especialmente a altas tasas de descarga", dijo Yu.