Investigadores de la Universidad de Stanford y de la Universidad Hanyang en Ansan, Corea, están desarrollando los electrodos de nanotubos en colaboración con LG Chem, una compañía coreana que fabrica baterías de litio-ion, incluyendo las que se utilizan en el Chevy Volt. Cuando se carga una batería como esa, los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo. Los electrodos de la nueva batería, cuya descripción se puede encontrar online en Nano Letters, son ánodos y pueden almacenar mucha más energía que los electrodos de grafito convencionales puesto que absorben mucho más litio cuando la batería está cargada.
“En un coche híbrido, la batería duran sólo 30 minutos con la tecnología actual,” afirma Jaephil Cho, profesor asociado de química aplicada en la Universidad Hanyang, y que dirigió la investigación sobre los ánodos de nanotubos. Si el nuevo ánodo de silicio se puede unir a un cátodo con una capacidad de almacenamiento comparable, la batería resultante debería hacer que los vehículos funcionasen durante tres o cuatro horas sin tener que recargar, según afirma Cho.
Los ánodos de silicio tienen una capacidad de almacenaje más alta que el grafito convencional puesto que el material puede albergar hasta 10 veces más litio por peso que el carbono granítico. De hecho, el silicio toma tanto litio—incrementando el volumen hasta cuatro veces—que puede llegar a ser un inconveniente. La tensión mecánica sobre el quebradizo material es tan grande que los ánodos de silicio tienden a rajarse después de sólo unas pocas cargas y descargas. Por tanto los investigadores, incluyendo a Cho y al científico de materiales en Stanford Yi Cui, han estado desarrollando un silicio nanoestructurado diseñado para soportar mejor estas tensiones. Han creado unos ánodos de nanocables y ánodos de silicio nanoporoso. Acaban de colaborar para desarrollar ánodos de nanotubos de silicio, cuya capacidad de almacenaje es mejor que la de los otros materiales de silicio nanoestructurado, según infoma Cho.
El ánodo de nanotubos de silicio tiene el aspecto de un puñado de pajas huecas. Mientras que los nanocables de silicio pueden interactuar con el litio sólo en su superficie, los nanotubos tienen una mayor superficie de exposición por dentro. “El nanotubo tiene una gran área de superficie—mucho más espacio para lugares de reacción que los otros tipos de materiales,” señala Cho. Su forma también ayuda a aliviar la tensión mecánica cuando la batería está cargada y descargada, puesto que hay espacio extra para que el silicio se expanda y se contraiga.
Los nanotubos de silicio se fabrican mediante la inmersión repetidas veces de una plantilla de aluminio en una solución de silicio, después se calienta y se graba la estructura en ácido para eliminar el aluminio. “Es muy simple, y la plantilla está disponible a nivel comercial,” afirma Cho. Junto a LG Chem, Cho está trabajando con el fabricante de plantillas para crear una que sea compatible con la manufactura a gran escala. Cho cree que en tres años se podrían ver baterías con electrodos de nanotubos en el mercado.
Es demasiado pronto para determinar si los ánodos de silicio subirían el coste de las baterías de litio. Sin embargo, “incluso si el coste es mayor, será ventajoso puesto que con el silicio se obtiene más capacidad,” afirma Arumugam Manthiram, profesor de ingeniería y estudios de energía en la Universidad de Texas en Austin.
LG Chem no es la única compañía de baterías que trabaja en los ánodos de silicio; 3M y Sanyo están también desarrollando la tecnología. Sin embargo, existen una serie de retos importantes a superar antes de que estos electrodos puedan incorporarse a los paquetes de baterías de los vehículos, tal y como advierte Stanley Whittingham, profesor de ciencias de los materiales y química en la Universidad del Estado de Nueva York en Bighamton. Uno de los problemas con el silicio reside en la recuperación de toda la energía que se pone en él—una propiedad llamada eficiencia culómbica. A lo largo del tiempo, cada vez se logra descargar menos energía de la que se coloca en las baterías que utilizan ánodos de silicio. Cui y Cho han demostrado el rendimiento de sus ánodos después de 200 cargas. No obstante, antes de que un ánodo se pueda usar en un vehículo, afirma Whittingham, la eficiencia culómbica tiene que haber sido puesta a prueba durante cientos de miles de cargas, y un rendimiento tan a largo plazo aún no ha podido ser demostrado con el silicio.
Otro reto es que, en la actualidad, estos ánodos de alto rendimiento se tienen que emparejar con cátodos de rendimiento menos estelar. “Para poder aprovechar al máximo los beneficios de un ánodo de silicio, se necesita un cátodo cuya capacidad de carga-almacenamiento sea también 10 veces mejor,” señala Cui. Para poder igualarlos dentro de una batería real y ponerlos a prueba, los ánodos de silicio se emparejan en la actualidad con cátodos de gran volumen hechos de materiales convencionales. Cui y Cho también están desarrollando nuevos materiales para su uso en cátodos en colaboración con LG Chem.