Ingenieros del MIT logran baterías ión-litio que cargan en segundos

La batería de ión de litio, también denominada batería Li-Ion, es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito, una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.

Las propiedades de las baterias de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, la ausencia de efecto memoria o su capacidad para operar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido el diseño de acumuladores livianos, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados para las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo Desde la primera comercialización a principios de los años 1990 de un acumulador basado en la tecnología Li-ion, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música.

Sin embargo, su rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión, requieren en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones.

Gerbrand Ceder, un ingeniero del MIT (en la foto) ha creado una especie de “carretera de circunvalación” que permite el rápido tránsito de energía eléctrica a través de un bien conocido material empleado en la fabricación de baterías. Este avance, podría dar lugar a baterías más pequeñas y ligeras – para teléfonos móviles y otros dispositivos – cuya recarga se podría hacer en segundos en lugar de horas.

Este trabajo también podría permitir la recarga rápida de baterías de coches eléctricos, aunque este aplicación en particular se vería limitada por la cantidad de energía disponible que la red eléctrica pudiera suministrar al hogar del propietario.

El trabajo, dirigido por Gerbrand Ceder (profesor del MIT que ocupa la cátedra Richard P. Simmons en Ciencia e Ingeniería de Materiales) se publica hoy 12 de marzo en la edición de la revista Nature. Como el material tratado no es nuevo – de hecho los investigadores simplemente han cambiado el método de fabricación – Ceder cree que los frutos del trabajo podrían llegar al mercado en apenas dos o tres años.

Las pilas recargables de litio de última generación cuentan con densidades energéticas muy altas, es decir, son muy buenas almacenando grandes cantidades de carga. Para lograr estas densidades deben sacrificar los ritmos de transferencia energética, que son relativamente pobres (son muy lentas tanto ganando como descargando esa energía).

Considerad las baterías actuales para coches eléctricos. “Almacenan un montón de energía, lo cual sirve para conducir a 90 Km/h durante un buen período de tiempo, pero la potencia es poca. No puedes acelerar de forma rápida”, comenta Ceder.

¿Por qué son tan lentos los ritmos de transferencia? Tradicionalmente, los científicos creían que los iones-litio responsables (junto a los electrones) del transporte de las cargas a través de la batería, simplemente se movían de forma lenta a través del material.

Sin embargo, hace aproximadamente 5 años, Ceder y sus colegas hicieron un descubrimiento sorprendente. Los cálculos computacionales realizados sobre un bien conocido material para baterías, el fosfato de litio-hierro, predecían que los iones-litio del material deberían en realidad moverse extremadamente rápido.

“Si el transporte de los iones-litio era tan rápido, entonces el culpable de la lentitud de la transferencia energética debía de estar en otra parte”, comentó Said.

Cálculos posteriores demostraron que los iones de litio pueden verdaderamente moverse de forma muy rápida por el material, pero solo a través de túneles accesibles desde la superficie. Si un ión-litio en la superficie se encuentra directamente frente a una entrada de túnel no hay problema, se introduce eficientemente en el túnel. Pero si el ión no se encuentra justo frente a él, se imposibilita que alcance el túnel puesto que no puede moverse para acceder a la entrada.

Ceder y un estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales llamado Byoungwoo Kang (coautor del trabajo publicado en Nature), idearon un método que solucionara el problema creando una nueva estructura superficial que permita a los iones-litio moverse rápidamente por la parte externa del material, exactamente como las carreteras (o cinturones) de circunvalación de las ciudades. Cuando un ión que viaja a través de este cinturón alcanza un túnel, es desviado instantáneamente hacia el interior.

Usando esta nueva técnica de procesamiento, los dos científicos procedieron a crear una pequeña batería que podía cargarse o descargarse en un período de entre 10 y 20 segundos. (Compárese con los seis minutos requeridos por una pila del mismo material no procesado y se apreciará el gran avance).

Ceder señala que pruebas posteriores demostraron que al contrario que otros materiales empleados en baterías, el nuevo material no se degradaba tanto con los ciclos repetitivos de carga y descarga. Esto podría conducir a baterías más pequeñas y ligeras, porque para obtener un rendimiento similar al de las actuales, se necesita menos material.

Ceder y Kang comentan en su trabajo que: “la habilidad de cargar y descargar baterías en cuestión de segundos en vez de horas, podría hacer surgir nuevas aplicaciones tecnológicas e inducir cambios en nuestro estilo de vida”.

El trabajo ha sido financiado por la Fundación Nacional de Ciencia a través del programa de los Centros de Ingeniería, Ciencia e Investigación de Materiales, y del Programa para el Avance en Baterías de Transporte del Ministerio de Energía de los EE.UU. Dos compañías han patentado los procesos de tratamiento.

Traducido de Re-engineered battery material could lead to rapid recharging of many devices (Autora: Elizabeth A. Thomson).

Vìa: Mikelnai`s blog