Inventan una batería más segura, barata y flexible para la tecnología portátil

Batería autorregenerable con excelente densidad de energía, densidad de potencia, vida útil, flexibilidad y autorregeneración incluso después de diez ciclos de autorregeneración

10.06.2024

Unos investigadores han desarrollado una batería más segura, barata, flexible y de mejor rendimiento para dispositivos portátiles. El 3 de junio se publicó en la revista Nano Research Energy un artículo en el que se describe la "receta" de su nuevo tipo de batería.

Nano Research Energy, Tsinghua University

El mecanismo de descarga y carga de la batería (arriba), y su mecanismo de autocuración (abajo).

Pulseras deportivas. Relojes inteligentes. Cascos de realidad virtual. Incluso ropa e implantes inteligentes. Los dispositivos inteligentes para llevar puestos están por todas partes. Pero para que sean más cómodos, fiables y duraderos, estos dispositivos necesitarán mayores niveles de flexibilidad y miniaturización de sus mecanismos de almacenamiento de energía, que a menudo son frustrantemente voluminosos, pesados y frágiles. Además, las mejoras no pueden ir en detrimento de la seguridad.

Por ello, en los últimos años se ha investigado mucho en el desarrollo de dispositivos "micro" flexibles de almacenamiento de energía. Se han explorado diversas estructuras y fundamentos electroquímicos, y entre ellos las microbaterías acuosas ofrecen muchas ventajas claras.

Las baterías acuosas -aquellas que utilizan una solución acuosa como electrolito (el medio que permite el transporte de iones en la batería y, por tanto, la creación de un circuito eléctrico)- no son nada nuevo. Existen desde finales del siglo XIX. Sin embargo, su densidad energética -o la cantidad de energía contenida en la pila por unidad de volumen- es demasiado baja para su uso en cosas como vehículos eléctricos, ya que ocuparían demasiado espacio. Las baterías de iones de litio son mucho más apropiadas para estos usos.

Al mismo tiempo, las baterías acuosas son mucho menos inflamables y, por tanto, más seguras que las de iones de litio. También son mucho más baratas. Como resultado de esta seguridad más sólida y de su bajo coste, las opciones acuosas se han explorado cada vez más como una de las mejores opciones para los MFESD. Son las llamadas microbaterías acuosas, o simplemente AMB.

"Hasta ahora, por desgracia, las AMB no han estado a la altura de su potencial", explica Ke Niu, científico de materiales del Laboratorio Clave de Materiales y Dispositivos Ópticos y Electrónicos de Guangxi, en la Universidad Tecnológica de Guilin, uno de los investigadores principales del equipo. "Para poder usarse en un dispositivo portátil, deben soportar cierto grado de flexión y torsión en el mundo real. Pero la mayoría de los explorados hasta ahora fallan ante tal tensión".

Para superar este problema, cualquier fractura o punto de fallo en un AMB tendría que ser autorreparable tras dicha tensión. Por desgracia, las AMB autorregenerativas que se han desarrollado hasta ahora tienden a depender de compuestos metálicos como portadores de carga en el circuito eléctrico de la batería. Esto tiene el indeseable efecto secundario de una fuerte reacción entre los iones del metal y los materiales de los que están hechos los electrodos (los conductores eléctricos positivo y negativo de la pila). Esto a su vez reduce la velocidad de reacción de la pila (la velocidad a la que se producen las reacciones electroquímicas en el corazón de cualquier pila), limitando drásticamente su rendimiento.

"Así que empezamos a investigar la posibilidad de portadores de carga no metálicos, ya que no sufrirían las mismas dificultades de interacción con los electrodos", añade Junjie Shi, otro de los principales miembros del equipo e investigador de la Facultad de Física y del Centro de Caracterización y Dispositivos a Nanoescala (CNCD) de la Universidad Huazhong de Ciencia y Tecnología de Wuhan.

El equipo de investigación se fijó en los iones de amonio, derivados de sales de amonio disponibles en abundancia, como portadores de carga óptimos. Son mucho menos corrosivos que otras opciones y tienen una amplia ventana de estabilidad electroquímica.

"Pero los iones de amonio no son el único ingrediente de la receta necesaria para que nuestras baterías sean autorregenerativas", explica Long Zhang, tercer miembro destacado del equipo de investigación, también del CNCD.

Para ello, el equipo incorporó las sales de amonio a un hidrogel, un material polimérico capaz de absorber y retener una gran cantidad de agua sin alterar su estructura. Esto confiere a los hidrogeles una flexibilidad impresionante y les confiere precisamente el carácter autorregenerativo que necesitan. La gelatina es probablemente el hidrogel más conocido, aunque en este caso los investigadores optaron por un hidrogel de alcohol polivinílico (PVA) por su gran resistencia y bajo coste.

Para optimizar la compatibilidad con el electrolito de amonio, se eligió el carburo de titanio -un nanomaterial "2D" con una sola capa de átomos- como material del ánodo (el electrodo negativo) por su excelente conductividad. Para el cátodo (el electrodo positivo) se entretejió dióxido de manganeso, ya utilizado en pilas secas, en una matriz de nanotubos de carbono (también para mejorar la conductividad).

Las pruebas del prototipo de batería autorregenerativa demostraron que presentaba una densidad de energía, una densidad de potencia, una vida útil, una flexibilidad y una capacidad de autorreparación excelentes, incluso después de diez ciclos de autorreparación.

El equipo se propone ahora seguir desarrollando y optimizando su prototipo con vistas a la producción comercial.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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