Las baterías de nanobolas son un tipo experimental de batería con el cátodo o el ánodo hechos de bolas de tamaño nanométrico que pueden estar compuestas de varios materiales como carbono y fosfato de hierro y litio. Las baterías que utilizan nanotecnología son más capaces que las baterías normales debido a su superficie enormemente mejorada que permite un mayor rendimiento eléctrico, como carga y descarga rápidas. [ cita necesaria ]
En 2009, investigadores del MIT pudieron cargar una simple batería de nanobolas de fosfato de hierro y litio 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 poder fabricar las nanobolas de carbono, se debe formar una varilla de carbono. La varilla de carbono se prepara en presencia de acetileno con coque en polvo (un tipo de fuente de combustible con pocas impurezas y un alto contenido de carbono) y se forma mediante la técnica de descarga de arco. La técnica de descarga por arco utiliza dos electrodos de grafito de alta pureza como ánodo y cátodo que se vaporizan mediante el paso de una corriente continua (corriente continua). [3] [ fuente autoeditada? ] Después de descargar el 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 hizo pasar 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). Nanobolas de carbono se formaron en la varilla de carbono durante el proceso de evaporación del arco. Luego, las nanobolas de carbono se examinaron utilizando un FE-SEM (microscopio electrónico de barrido por emisión de campo) y un STEM ( microscopio electrónico de transmisión de barrido ) que estaba 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 grupo, así como algunos nanomateriales similares al algodón. [1]
Las pruebas realizadas por la Universidad Tecnológica de Anhui han demostrado que las nanobolas de carbono dentro de un electrodo celular 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, en las condiciones adecuadas, tiene casi tres cuartas partes de su energía total disponible. Las pruebas realizadas por el Instituto de Materiales y Tecnología de la Universidad Marítima de Dalian también han demostrado que las nanobolas 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 nanobolas de silicio-carbono también puede dar como resultado mayores capacidades de carga y descarga, una estabilidad de ciclo más larga (cantidad de tiempo antes de necesitar 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 ya 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 por 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 velocidad de transferencia de iones aún más rápida. El fosfato de hierro y litio se preparó 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 (dihidrógenofosfato de amonio). Luego, los compuestos se colocaron en acetona y se molieron con bolas (moliendo los materiales juntos en un dispositivo cilíndrico especial) antes de calentarlos a 350 °C durante 10 horas y luego dejarlos enfriar a temperatura ambiente. Luego, la mezcla se peletizó bajo 10,000 libras de presión. antes de calentarse nuevamente a 600 °C durante 10 horas en atmósfera de argón. Cada nanobola creada midió alrededor de 50 nm (nanómetros) de diámetro. En circunstancias normales, los sistemas electroquímicos (por ejemplo, baterías) sólo 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 una alta densidad de energía almacenando carga en su mayor parte (el interior de las nanobolas de carbono). Esto es posible porque el fosfato de litio y hierro tiene una alta movilidad masiva del litio. La creación de una fase superficial conductora de iones rápida mediante una estequiometría controlada (controlando la relación mol a mol de los reactivos y productos en la ecuación molecular) permitió una velocidad 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 nanobolas de fosfato de hierro y litio se ensamblaron en una caja de guantes llena de argón y se probaron utilizando un Maccor 2200 (tipo de sistema de prueba de batería). El Maccor 2000 se configuró en modo galvanostático (mide el rendimiento electroquímico) y utilizó litio metálico como ánodo y 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 realizado 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 muy ineficiente. En este momento, las baterías de nanobolas todavía se encuentran en la etapa experimental. Además de usarse en automóviles y teléfonos, las baterías de nanobolas también podrían usarse para ayudar en países del tercer mundo y áreas afectadas por desastres, ya que su pequeño tamaño y sus altas tasas de descarga permitirían que la energía se distribuyera de manera rápida y eficiente. [ cita necesaria ]
Las baterías de nanobolas muestran un gran 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 nanobolas con otros materiales como el silicio en las baterías. La investigación realizada en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China ha demostrado que recubrir nanobolas de silicio con una capa de grafeno/carbono evita que las nanobolas de silicio se degraden demasiado rápido y mejoran el rendimiento electromecánico general de la batería. [6] Para uso comercial en automóviles y otros vehículos eléctricos, la batería de nanobolas debería poder cargar el vehículo utilizando menos energía. Aunque la batería puede descargarse muy rápidamente, se necesita demasiada energía para entrar en ella. Otro problema que es necesario corregir es que, aunque la batería se puede descargar muy rápidamente, tiene dificultades para retener tanta energía durante mucho tiempo. Aumentar el límite de cuánta energía podría contener la batería la haría 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 necesaria ]