Las baterías de nanoesferas son un tipo experimental de batería en el que el cátodo o el ánodo están hechos de esferas de tamaño nanométrico que pueden estar compuestas de diversos materiales, como carbono y fosfato de hierro y litio. Las baterías que utilizan nanotecnología son más capaces que las baterías normales debido a la superficie enormemente mejorada que permite un mayor rendimiento eléctrico, como una carga y descarga rápidas. [ cita requerida ]
En 2009, investigadores del MIT lograron cargar una batería de nanoesferas de fosfato de hierro y litio simple en 10 segundos utilizando esta tecnología. En teoría, esto permitiría cargar rápidamente dispositivos electrónicos pequeños, mientras que las baterías más grandes seguirían estando limitadas por la red eléctrica . [1] [2]
Antes de que se puedan fabricar las nanobolas de carbono, se debe formar una varilla de carbono. La varilla de carbono se prepara en presencia de acetileno con polvo de coque (un tipo de fuente de combustible con pocas impurezas y un alto contenido de carbono) y se forma utilizando la técnica de descarga de arco. La técnica de descarga de arco utiliza dos electrodos de grafito de alta pureza como ánodo y cátodo que se vaporizan mediante el paso de una corriente continua (CC). [3] [ ¿ Fuente autopublicada? ] Después de la descarga de arco durante un período de tiempo, se construye una varilla de carbono en el cátodo. Luego, la varilla de carbono se coloca en un reactor de descarga de arco de CC. La varilla de carbono actúa como ánodo, mientras que una varilla de grafito de alta pureza actúa como cátodo. Se pasó una corriente ajustada a 70-90 amperios a través de las dos varillas en un medio de acetileno a una presión de 0,05 a 0,06 MPa (megapascales). Las nanobolas de carbono se formaron en la varilla de carbono durante el proceso de evaporación del arco. Las nanobolas de carbono se examinaron luego utilizando un microscopio electrónico de barrido por emisión de campo (FE-SEM) y un microscopio electrónico de barrido por transmisión (STEM ) equipado con rayos X de energía dispersiva operados a 200 kV (kilovoltios), difracción de rayos X y espectroscopia Raman. La mayoría de las nanobolas de carbono que se formaron fueron sinterizadas (masa sólida de material formada por calor y/o presión). También se detectaron trazas de nanobolas que existían como individuos en lugar de como un grupo, así como algunos nanomateriales similares al algodón. [1]
Las pruebas realizadas por la Universidad de Tecnología de Anhui han demostrado que las nanoesferas de carbono dentro de un electrodo de celda tienen una alta capacidad reversible y una tasa de retención de capacidad de casi el 74%. Esto significa que la batería puede descargarse muy rápidamente y que la batería tiene casi tres cuartas partes de su energía total disponible en las condiciones adecuadas. Las pruebas realizadas por el Instituto de Materiales y Tecnología de la Universidad Marítima de Dalian también han demostrado que las nanoesferas de carbono se pueden utilizar para aumentar aún más la producción de energía de otros materiales como el silicio. [2] Cambiar la estructura molecular de las nanoesferas de silicio y carbono también puede dar como resultado mayores capacidades de carga y descarga, mayor estabilidad de ciclo (cantidad de tiempo antes de tener que reemplazar la batería) y un buen rendimiento de velocidad. [4]
Al igual que el carbono, el litio también es un buen conductor de energía. También se utiliza en baterías comerciales de iones de litio. El litio es un buen conductor de energía porque permite que los iones se transfieran más rápido que otros elementos y también puede retener esa energía durante más tiempo. Las investigaciones han demostrado que recubrir una partícula de fosfato con una capa de LiFePO 4 (fosfato de hierro y litio) permite una tasa de transferencia de iones aún más rápida. El fosfato de hierro y litio se fabricó mediante una reacción en estado sólido utilizando Li 2 CO 3 (carbonato de litio), FeC 2 O 4 (oxalato de hierro (II)) y NH 4 H 2 PO 4 (fosfato de dihidrógeno de amonio). Luego, los compuestos se colocaron en acetona y se molieron en un molino de bolas (moliendo materiales juntos en un dispositivo cilíndrico especial) antes de calentarlos a 350 °C durante 10 horas y luego se dejaron enfriar a temperatura ambiente. Luego, la mezcla se peletizó bajo 10 000 libras de presión antes de calentarla nuevamente a 600 °C durante 10 horas bajo argón. Cada nanobola creada medía alrededor de 50 nm (nanómetros) de diámetro. En circunstancias normales, los sistemas electroquímicos (por ejemplo, las baterías) solo pueden alcanzar altas tasas de potencia con supercondensadores. Los supercondensadores logran una alta tasa de potencia almacenando energía a través de reacciones de adsorción superficial de especies cargadas en un electrodo. Sin embargo, esto da como resultado una baja densidad de energía. En lugar de simplemente almacenar carga en la superficie de un material, el fosfato de hierro y litio puede lograr una alta tasa de potencia y alta densidad de energía almacenando carga en la mayor parte de sí mismo (el interior de las nanobolas de carbono). Esto es posible porque el fosfato de hierro y litio tiene una alta movilidad en masa de litio. La creación de una fase superficial rápida de conducción de iones a través de una estequiometría controlada (controlando la relación mol a mol de los reactivos y productos en la ecuación molecular) permitió una tasa de descarga ultrarrápida. [5]
Las pruebas de velocidad de descarga se realizaron en electrodos con 30% de material activo, 65% de carbono y 5% de aglutinante. Las nanoesferas de fosfato de hierro y litio se ensamblaron en una caja de guantes llena de argón y se probaron utilizando un Maccor 2200 (un tipo de sistema de prueba de baterías). El Maccor 2000 se configuró en modo galvanostático (mide el rendimiento electroquímico) y utilizó litio metálico como ánodo y un electrolito no acuoso y Celgard 2600 o 2500 como separador. [5] La velocidad de descarga final fue lo suficientemente rápida como para cargar una batería en aproximadamente 10 a 20 segundos, aproximadamente 100 veces más rápido que una batería normal.
Dado que se trata de un procedimiento experimental que se lleva a cabo en un entorno de laboratorio, todavía no ha habido ningún producto comercial que haya implementado este tipo de tecnología. Tesla Motors ha pensado en implementar baterías de nanobolas en sus vehículos, pero la cantidad de energía necesaria y el cable necesario para transferir tanta energía lo harían altamente ineficiente. En este momento, las baterías de nanobolas todavía están en la etapa experimental. Además de usarse en automóviles y teléfonos, las baterías de nanobolas también podrían usarse para brindar ayuda en países del tercer mundo y áreas afectadas por desastres, ya que su pequeño tamaño y altas tasas de descarga permitirían que la energía se distribuyera de manera rápida y eficiente. [ cita requerida ]
Las baterías de nanobolas tienen mucho potencial, pero es necesario realizar mejoras antes de que se conviertan en una opción viable para reemplazar las baterías actuales. Las investigaciones futuras incluirían intentar integrar las nanobolas en el cátodo de una celda de litio o fusionar las nanobolas con otros materiales como el silicio en las baterías. Las investigaciones realizadas en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China Oriental han demostrado que recubrir las nanobolas de silicio con una capa de grafeno/carbono evita que se degraden demasiado rápido y mejora el rendimiento electromecánico general de la batería. [6] Para uso comercial en automóviles y otros vehículos eléctricos, la batería de nanobolas tendría que poder cargar el vehículo utilizando menos energía. Aunque la batería puede descargarse muy rápidamente, se necesita demasiada energía para ingresar en la batería. Otro problema que necesita corregirse es que, aunque la batería puede descargarse muy rápidamente, tiene dificultades para retener tanta energía durante mucho tiempo. Aumentar el límite de cuánta energía podría contener la batería haría que la batería fuera mucho más eficiente. La tecnología también puede permitir baterías más pequeñas, ya que el material del cátodo se degrada a un ritmo más lento que en las baterías de producción actual. [ cita requerida ]