Foto: Las grietas formadas en un electrodo de batería autorreparable después de haberse cargado (arriba) comienzan a sellarse de nuevo después de cinco horas (parte inferior). El electrodo, una mezcla de micropartículas de silicio y un polímero autoreparable, fue fotografiado con un microscopio electrónico de barrido.

Para que los coches eléctricos puedan algún día poder conducirse cientos de kilómetros entre cargas y competir con los coches de gasolina, las baterías necesitan almacenar mucha más energía. Desafortunadamente muchos de los materiales usados en las batería de alta capacidad más prometedoras son propensos a romperse, lo que reduce el alcance de los viajes eléctricos.

Varios investigadores de la Universidad de Stanford (EEUU) acaban de demostrar que las mezcla de uno de estos prometedores materiales, micropartículas de silicio, con polímeros autoreparables ayuda a prevenir la quiebra de una batería de larga duración. Señalan que los polímeros podrían estabilizar otros materiales de batería prometedores pero propensos al daño.

El electrodo negativo de la batería autoreparable, o ánodo, combina silicio con polímeros que actúan como cremalleras químicas, reparando las grietas que se forman cuando se utiliza y se recarga la batería.

El electrodo de batería autoreparablem, hasta el momento, ha sido probado con metal de litio puro como electrodo positivo, puesto que su capacidad de almacenamiento es mucho mayor que la de cualquier cátodo convencional. El propio electrodo autoreparable posee ocho veces la capacidad de almacenamiento de los ánodos de carbono que se encuentran en una batería convencional de ión-litio recargable. Si se combina con un cátodo convencional, crearía una batería capaz de almacenar aproximadamente un 40% más de energía. Si se combina con un cátodo de alta capacidad de almacenamiento, el total de energía se duplicaría o triplicaría.

Aunque las baterías de silicio anteriores sólo podían ser descargadas y recargadas 10 veces antes de descomponerse, la batería autoreparable resiste 100 ciclos de carga. Pero eso no es suficiente, reconoce el científico de materiales de Stanford Yi Cui. "Tenemos llegar a 500 ciclos para los dispositivos electrónicos portátiles, y unos pocos miles para los vehículos eléctricos", afirma Cui.

Sin embargo, el enfoque de Cui podría proporcionar un nuevo camino a seguir para aquellos materiales prometedores que se hayan estancado. "Esto apunta a un modo de resolver un problema general con ánodos de alta capacidad", asegura el científico de materiales en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EEUU) Paul Braun, que no estuvo involucrado en el trabajo.

Los ánodos de silicio absorben grandes cantidades de litio cuando la batería está cargada, y liberan todo ese litio cuando la batería se empieza a utilizar. Estos ánodos pueden almacenar una gran cantidad de energía en un espacio pequeño, pero su gran capacidad también supone un problema en cuanto a los materiales de los que están hechos: a medida que grandes cantidades de litio entran y salen de la batería, el silicio se expande y se contrae, rajando los ánodos la primera vez que se usan. Lo mismo sucede con los ánodos hechos de estaño y germanio.

Para la batería autoreparable, Cui colaboró ​​con otro investigador de Stanford, Zhenan Bao, que había desarrollado previamente piel electrónica autoreparable basada en un polímero elástico y pegajoso (ver "Una piel eléctrica que rivaliza con la verdadera").

Foto: Esta célula de batería de ión-litio prototipo utiliza un electrodo de silicio autoreparable.

Cuando se fractura el polímero, fluye para volver a unirse. El grupo incluyó en la mezcla algunas partículas de carbono conductoras para asegurar que el polímero, que no es conductor, no obstaculizará el flujo de electricidad a través de la batería. Después, esta pegajosa mezcla se combinó con micropartículas de silicio para crear un ánodo. Cuando la batería se carga y descarga, el silicio se expande, se contrae y se fractura, pero el polímero hace que todo vuelva a unirse. "Normalmente, una vez que el ánodo se ha agrietado, se pierde el contacto eléctrico", asegura Cui. "El polímero autoreparable vuelve a unir las partes fracturadas".

Hay otras maneras de hacer frente a la tendencia del silicio a fracturarse. El grupo de Cui ha experimentado con formas nanoestructuradas de silicio, entre ellas nanocables, que puedan soportar la tensión de carga y recarga. Ánodos de silicio nanoestructurados como este están siendo desarrollados por Amprius, una compañía de Sunnyvale, California (EEUU), cofundada por Cui. Sin embargo, los investigadores y las empresas aún están aprendiendo acerca de estos nanomateriales. "Es fácil construir un pequeño frasco de silicio nanoestructurado, pero fabricar 50 ó 60 toneladas a un coste razonable es un gran problema que no ha sido resuelto", señala Braun.

Cui asegura que la combinación de micropartículas con el polímero reparable podría ser menos cara y más práctica para las baterías de alta capacidad que los enfoques que requieran caros nanomateriales. Las micropartículas de silicio utilizadas en la demostración de la batería autoreparable se pueden comprar fácilmente en grandes cantidades y no son muy caras.

La científica de materiales en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EEUU), Nancy Sottos, ha desarrollado un nuevo método: Sottos mezcla cápsulas de materiales reparables con los materiales de la batería. Uno de estos materiales es una burbuja que estalla para liberar metal conductor y reparar las conexiones eléctricas en una batería dañada. Su grupo ha hecho demostraciones de prueba de concepto iniciales que utilizan este método.

El investigador de baterías en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EEUU), Yuegang Zhang, afirma que el material autoreparable de Stanford resulta prometedor para otros tipos de materiales de batería de alta capacidad, como el estaño. Zhang ha adoptado un enfoque diferente en su propio trabajo, mezclando nanoestructuras de estaño con grafeno conductor fuerte y elástico para mantener los ánodos unidos. En cuanto al pequeño número de veces que las baterías de silicio de Cui se pueden recargar, señala que "el silicio aún tiene problemas, pero me gusta la idea".

Ahora que han hecho la primera demostración, Cui y Bao están trabajando en soluciones que permitan que su batería de silicio autoreparable dure más ciclos de carga. "Esto es sólo el comienzo", afirmó Cui.