Con el objetivo de acortar los tiempos de carga de las baterías de iones de litio convencionales, científicos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST por sus siglas en inglés) han desarrollado un nuevo material para el ánodo que permite una carga ultrarrápida.
Este nuevo material, que se produce mediante un método sencillo, eficiente y respetuoso con el medio ambiente y que resulta de calcinar un polímero de origen biológico, logra conservar el 90 % de su capacidad inicial después de 3.000 ciclos de carga.
Resultados prometedores, no solo para los coches eléctricos
Cada vez más investigadores se especializan en el campo de los vehículos eléctricos para convertirlos en una alternativa más atractiva a los coches de gasolina convencionales. En este sentido, la mejora de las baterías convencionales es una cuestión clave: además de seguridad, autonomía y durabilidad, los usuarios demandan mayor velocidad de carga.
Partiendo de esta base, los investigadores del JAIST buscan opciones viables que permitan recargar una batería por completo en menos de 15 minutos y los resultados de su último estudio son prometedores: no solo podrían allanar el camino hacia unas baterías para coches eléctricos más duraderas y con mayor rendimiento, sino que sus investigaciones también podrían aplicarse en el campo de la electrónica de consumo.
Una forma de acortar el tiempo de carga de las baterías de iones de litio es aumentar la velocidad de difusión de los iones dentro de las celdas, 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 ya con relativo éxito introduciendo impurezas de nitrógeno en la ecuación (lo que técnicamente se denomina "dopaje de nitrógeno"), hoy por hoy no hay ningún método fácilmente disponible para controlar la distancia entre capas o para concentrar “el elemento de dopaje” con seguridad.
Por este motivo, un equipo de científicos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón ha desarrollado 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.
Simplificando, su estrategia constituye una forma muy eficiente de producir un ánodo basado en el carbono con un contenido muy elevado de nitrógeno: el material precursor del ánodo es el poli (benzimidazol), un polímero 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 todo un hito.
Tras comprobar el éxito de la síntesis de este material y estudiar 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) publicaron sus resultados.
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: el prometedor material logrado para el ánodo demostró ser 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 células basadas en grafito.
Otra ventaja notable del material anódico propuesto es el uso de un polímero de origen biológico para su síntesis, pues al tratarse de un procedimiento con bajas emisiones, el material produce naturalmente un efecto sinérgico que reduce aún más las emisiones de CO₂.
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". Este descubrimiento podría ser relevante para las baterías no sólo de los vehículos eléctricos, sino también de la electrónica portátil.
Además, el desarrollo de baterías altamente duraderas disminuirá notablemente el consumo mundial de metales raros, que son recursos no renovables.
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