La nueva técnica, desarrollada por un grupo de investigadores del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) con sede en Richland, Washington, puede convertir un potencial material para eléctrodos que normalmente no puede almacenar electricidad en uno que almacena más energía que las baterías de materiales similares ya en el mercado.
En el trabajo publicado en la revista Nano Letters, los investigadores del PNNL muestran que la cera de parafina y el ácido oleico estimulan el crecimiento de nanoestructuras en placas de fosfato de litio manganeso. Estas nanoplacas "son pequeñas y delgadas, permitiendo que los electrones y los iones (átomos o moléculas con carga positiva o negativa) puedan entrar y salir de ellos con facilidad. Esto convierte el material--que normalmente no funciona como un material de baterías debido a su pobre conducitividad--en uno que almacena grandes cantidades de electricidad.
Cuando los investigadores midieron el rendimiento de este material, descubrieron que podía almacenar un 10 por ciento más de energía que la capacidad máxima teórica de energía de un material del electrodo comercial comparable--fosfato de litio hierro, que se utiliza en las herramientas eléctricas y en algunos vehículos híbridos y eléctricos.
Este enfoque podría abrir las puertas al uso de una amplia gama de materiales de batería candidatos que actualmente están limitados por su capacidad para conducir la electricidad y los iones de litio. La investigación en el área ha alcanzado el punto en que la mayoría de los materiales restantes para ser estudiados tienen una mala conductividad, señala Daiwon Choi, investigador de materiales de energía del PNNL. El nuevo método ofrece una manera sencilla de aumentar su conductividad. Él indica que este método podría ser también compatible con las técnicas convencionales de fabricación de baterías.
Tanto el fosfato de litio hierro como el fosfato de litio manganeso son atractivos para los electrodos de una batería porque tienen una estructura atómica estable. Esta estructura cristalina--llamada olivina--es mucho más estable que la estructura cristalina de los materiales de electrodo utilizado en las baterías de portátiles y teléfonos móviles. Como resultado, los materiales de tipo olivina pueden durar mucho más tiempo que los tres años que suelen durar los materiales de las baterías de teléfonos móviles. Algunos fabricantes afirman que las baterías de fosfato de hierro litio podrían durar más de 30.000 ciclos de carga y descarga sin perder una cantidad significativa de su capacidad para almacenar energía--suficiente para que la batería dure unos 50 años, señala Choi.
nEn teoría, el fosfato de litio manganeso podría durar un número similar de ciclos, porque tiene una estructura cristalina parecida. Sin embargo, tiene la ventaja añadida de ser potencialmente capaz de almacenar un 20 por ciento más de energía que el fosfato de litio hierro, ya que funciona a un voltaje más alto. No obstante, ha sido particularmente difícil de modificar el fosfato de litio manganeso para superar el hecho de que es un aislante eléctrico.
Los intentos anteriores han exigido el procesamiento de materiales precursores en una solución líquida antes de crear los materiales sólidos de la batería--un proceso que es demasiado caro para la producción comercial. El nuevo método desarrollado en el PNNL elimina este paso separado del procesamiento con líquidos, lo que simplifica el proceso y lo hace compatible con las técnicas de fabricación existentes.
Para preparar el material, los investigadores mezclan los precursores químicos con cera de parafina y ácido oleico. La cera y el ácido trabajan juntos para hacer que el material precursor forme cristales de un tamaño y forma bien controlados sin agruparse hacia arriba. La cera se licua a las altas temperaturas utilizadas para procesar el material y actúa como un disolvente, sustituyendo así a la etapa separada de procesamiento con líquidos utilizada en las investigaciones anteriores.
Hasta el momento, el material sólo se puede cargar lentamente (aunque ofrece una potencia lo suficientemente rápida para muchas aplicaciones). Choi, indica que uno de los siguientes pasos es desarrollar un mejor proceso para el revestimiento de la nanoplacas con carbono, lo que debería mejorar la conductividad.
Aunque el fosfato de litio manganeso es atractivo ya que almacena más energía que el fosfato de litio hierro, ambos ocupan una cantidad relativamente grande de volumen en comparación con otros tipos de electrodos para baterías de iones de litio. Jeff Dahn, profesor de física y química de la Universidad de Dalhousie, señala que esta última instancia podría hacerlas más atractivas para aplicaciones estáticas--tales como el almacenamiento de energía en la red eléctrica para ayudar a suavizar la variabilidad a partir de fuentes renovables--que para vehículos eléctricos.