Telas metálicas no tejidas: material para las baterías del futuro
Una start-up comercializa electrodos no tejidos: "Con nuestra tecnología, tenemos la oportunidad de alcanzar a los fabricantes asiáticos y ser mejores"
Las baterías son cada vez más potentes. Un descubrimiento de investigadores del Instituto Max Planck de Investigación Médica de Heidelberg podría darles ahora un importante impulso energético. Un equipo dirigido por el director del Max Planck, Joachim Spatz, ha descubierto que el vellón metálico como material de contacto en los electrodos de las baterías acelera significativamente el transporte de carga de los iones metálicos en particular. Esto permite construir electrodos mucho más gruesos de lo habitual hoy en día. Esto significa que se puede ahorrar la mitad del metal de contacto y otros materiales que no contribuyen al almacenamiento de energía. De este modo, los investigadores pueden aumentar considerablemente la densidad energética de las baterías.
El status quo: un compromiso entre densidad energética y rendimiento
"La base para ello es un mecanismo desconocido hasta ahora que descubrimos durante el transporte de iones en los electrodos", explica Joachim Spatz. Los electrodos de las pilas constan de un material de contacto y un material activo. El material de contacto -en la actualidad, una lámina de cobre para el polo negativo de las baterías de iones de litio y una lámina de aluminio para el polo positivo- sólo tiene la función de transportar la corriente hacia y desde el electrodo. El material activo es el material de almacenamiento que absorbe y libera la carga durante la carga y la descarga. En la actualidad, los fabricantes de baterías utilizan grafito en el terminal negativo y diversos compuestos inorgánicos que contienen litio en el terminal positivo. El material activo es poroso para que penetre en él el electrolito líquido.
Aunque los materiales activos que se utilizan hoy en día absorben bastante carga, conducen muy mal los iones. Los iones tienen que migrar a través del electrolito líquido hasta el material activo. Como están empaquetados en una cáscara de moléculas de electrolito y son correspondientemente voluminosos, sólo se mueven lentamente a través del electrolito. Y no se mueven bien en el propio material activo. Esto plantea un dilema a los fabricantes de baterías: o hacen los electrodos gruesos para que su densidad energética sea lo más alta posible, pero entonces las baterías en cuestión no pueden cargarse y descargarse rápidamente. O bien hacen los electrodos extremadamente finos y aceptan que la densidad energética disminuya para conseguir una carga y descarga rápidas. Para llegar a un compromiso entre las dos propiedades, los fabricantes de baterías terminan hoy con electrodos que tienen un grosor de alrededor de una décima de milímetro. Esto equivale aproximadamente al diámetro de un cabello humano.
Un nuevo enfoque: transporte acelerado de iones a través de una doble capa eléctrica
En un estudio publicado en la revista especializada ACS Nano, el equipo de Heidelberg ha demostrado ahora una forma de producir electrodos al menos diez veces más gruesos de lo habitual hoy en día y que, aun así, pueden cargarse y descargarse rápidamente. Los investigadores han demostrado que los iones de litio se desprenden de su envoltura molecular en una superficie de cobre, se depositan allí y forman una doble capa eléctrica, la llamada capa de Helmholtz, con electrones que se acumulan bajo la superficie metálica. "Utilizando un sistema de medición especialmente desarrollado y cálculos teóricos, hemos demostrado que los iones de litio se mueven a través de la capa de Helmholtz unas 56 veces más rápido que a través del electrolito", explica Joachim Spatz. "Las superficies metálicas son, por tanto, una especie de autopista para los iones metálicos".
Si los iones metálicos se mueven tan rápidamente a través de las superficies metálicas, esto significa que tiene sentido entrecruzar el material activo con una red de autopistas metálicas para el transporte de iones. Esto es exactamente lo que han hecho Joachim Spatz y su equipo. Los investigadores han fabricado telas no tejidas con hilos metálicos de sólo unas centésimas de milímetro de grosor. A continuación insertaron el material activo en los no tejidos metálicos. Esto les ha permitido utilizar sólo la mitad de cobre que en los electrodos de lámina convencionales. Aunque un electrodo sea unas diez veces más grueso de lo habitual hoy en día, los iones de litio siguen fluyendo dentro y fuera del material activo a través de un vellón tan rápidamente que es suficiente para su uso en coches eléctricos, por ejemplo. El resultado final es que la densidad energética de los electrodos no tejidos es hasta un 85% superior a la de los electrodos de película.
Batene GmbH: una start-up de electrodos no tejidos
"Suministrar carga a un material a través de capas bidimensionales no es en absoluto eficaz", afirma Joachim Spatz, señalando el ejemplo de la naturaleza: suministra organismos a través de una red tridimensional de vasos. "Ese es el objetivo de nuestra tecnología: una red tridimensional de suministro de portadores de carga que pueda utilizarse para cargar y descargar baterías de forma eficiente".
Los electrodos no tejidos no sólo son mucho más eficientes que los electrodos de película, sino que también son más fáciles y baratos de producir. Esto se debe a que, en la producción de las baterías actuales, los fabricantes tienen que aplicar las finas capas de material activo a las láminas de contacto en un complejo proceso, en el que a veces se utilizan disolventes tóxicos. En cambio, el material activo puede aplicarse a las telas no tejidas en forma de polvo. "Con el llenado en seco, probablemente podamos ahorrar entre un 30% y un 40% de los costes de producción, y las instalaciones de producción necesitan un tercio menos de espacio", afirma Joachim Spatz.
Como el investigador ve un gran potencial en los electrodos no tejidos, ya ha fundado una start-up que está desarrollando la tecnología de las baterías hasta su madurez comercial junto con grandes fabricantes de automóviles, por ejemplo. Y esto, está convencido Joachim Spatz, también podría mejorar las posibilidades competitivas de los fabricantes alemanes en la tecnología de baterías, que se está desarrollando rápidamente: "Con nuestra tecnología, tenemos la oportunidad de alcanzar a los fabricantes asiáticos y ser mejores."
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 Alemán se puede encontrar aquí.
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