Nanobaterías
Tipo de batería
Imagen de la izquierda: muestra cómo se ve una batería de tamaño nanométrico bajo espectrometría de transmisión electrónica (TEM). Imagen central y derecha: el NIST pudo usar TEM para ver baterías de tamaño nanométrico y descubrió que probablemente existe un límite en cuanto a cuán delgada puede ser una capa de electrolito hasta que la batería deja de funcionar. [1] Crédito: Talin/NIST Autor: Instituto Nacional de Estándares y Tecnología

Las nanobaterías son baterías fabricadas que emplean tecnología a escala nanométrica , partículas que miden menos de 100 nanómetros o 10 −7 metros. [2] [3] Estas baterías pueden ser de tamaño nanométrico o pueden utilizar nanotecnología en una batería a escala macro. Las baterías a escala nanométrica se pueden combinar para funcionar como una macrobatería, como por ejemplo dentro de una batería de nanoporos . [4]

La tecnología tradicional de baterías de iones de litio utiliza materiales activos, como óxido de cobalto o de manganeso, con partículas cuyo tamaño varía entre 5 y 20 micrómetros (5000 y 20000 nanómetros, más de 100 veces la escala nanométrica). Se espera que la nanoingeniería mejore muchas de las deficiencias de la tecnología actual de baterías, como la expansión del volumen y la densidad de potencia. [5] [6] [7]

Fondo

Esquema básico de cómo funciona una batería de iones. Las flechas azules indican la descarga. Si ambas flechas estuvieran en sentido inverso, la batería se estaría cargando y se consideraría una batería secundaria (recargable) .

Una batería convierte energía química en energía eléctrica y se compone de tres partes generales:

El ánodo y el cátodo tienen dos potenciales químicos diferentes, que dependen de las reacciones que ocurren en cada uno de los extremos. El electrolito puede ser un sólido o un líquido que sea iónicamente conductor. [7] El límite entre el electrodo y el electrolito se denomina interfase sólido-electrolito (ISE). La conexión de un circuito a través de los electrodos hace que la energía química almacenada en la batería se convierta en energía eléctrica.

Limitaciones de la tecnología actual de baterías

La capacidad de una batería para almacenar carga depende de su densidad de energía y densidad de potencia . Es importante que la carga pueda permanecer almacenada y que se pueda almacenar una cantidad máxima de carga dentro de una batería. El ciclado y la expansión de volumen también son consideraciones importantes. Si bien existen muchos otros tipos de baterías, la tecnología de baterías actual se basa en la tecnología de intercalación de iones de litio por su alta potencia y densidades de energía, larga vida útil y sin efectos de memoria. Estas características han llevado a que las baterías de iones de litio sean preferidas sobre otros tipos de baterías. [8] Para mejorar la tecnología de una batería, la capacidad de ciclado y la densidad de energía y potencia deben maximizarse y la expansión de volumen debe minimizarse.

Durante la intercalación de litio, el volumen del electrodo se expande, lo que provoca tensión mecánica. La tensión mecánica compromete la integridad estructural del electrodo, lo que hace que se agriete. [5] Las nanopartículas pueden reducir la cantidad de tensión que se ejerce sobre un material cuando la batería se somete a ciclos, ya que la expansión de volumen asociada con las nanopartículas es menor que la expansión de volumen asociada con las micropartículas. [5] [6] La pequeña expansión de volumen asociada con las nanopartículas también mejora la capacidad de reversibilidad de la batería: la capacidad de la batería de someterse a muchos ciclos sin perder carga. [6]

En la tecnología actual de baterías de iones de litio, las tasas de difusión del litio son lentas. Mediante la nanotecnología, se pueden lograr tasas de difusión más rápidas. Las nanopartículas requieren distancias más cortas para el transporte de electrones, lo que conduce a tasas de difusión más rápidas y una mayor conductividad, lo que en última instancia conduce a una mayor densidad de potencia. [5] [6]

Ventajas de la nanotecnología

El uso de la nanotecnología para la fabricación de baterías ofrece los siguientes beneficios: [9]

  • Aumentar la potencia disponible de una batería y reducir el tiempo necesario para recargarla. Estos beneficios se consiguen recubriendo la superficie de un electrodo con nanopartículas, lo que aumenta el área de superficie del electrodo y permite que fluya más corriente entre el electrodo y los productos químicos dentro de la batería. [10]
  • Los nanomateriales se pueden utilizar como revestimiento para separar los electrodos de los líquidos presentes en la batería cuando esta no se utiliza. En la tecnología actual de baterías, los líquidos y los sólidos interactúan, lo que provoca una descarga de bajo nivel. Esto reduce la vida útil de la batería. [11]

Desventajas de la nanotecnología

La nanotecnología plantea sus propios desafíos en las baterías:

  • Las nanopartículas tienen una densidad baja y una superficie elevada. Cuanto mayor sea la superficie, más probable es que se produzcan reacciones en la superficie con el aire. Esto sirve para desestabilizar los materiales de la batería. [6] [5]
  • Debido a la baja densidad de las nanopartículas, existe una mayor resistencia entre partículas, lo que disminuye la conductividad eléctrica del material. [12]
  • Los nanomateriales pueden ser difíciles de fabricar, lo que aumenta su costo. Si bien pueden mejorar en gran medida las capacidades de una batería, su fabricación puede resultar prohibitiva. [10]

Investigación activa y pasada

Se han realizado muchas investigaciones en torno a las baterías de iones de litio para maximizar su potencial. Para aprovechar adecuadamente los recursos de energía limpia, como la energía solar , la energía eólica y la energía de las mareas , se requieren baterías capaces de almacenar cantidades masivas de energía que se utilizan en el almacenamiento de energía de la red . Se están investigando electrodos de fosfato de hierro y litio para posibles aplicaciones en el almacenamiento de energía de la red. [6]

Los vehículos eléctricos son otra tecnología que requiere baterías mejoradas. [13] Las baterías de los vehículos eléctricos actualmente requieren largos tiempos de carga, lo que prohíbe efectivamente su uso en automóviles eléctricos para largas distancias. [5]

Materiales de ánodo nanoestructurados

Grafito y SEI

El ánodo de las baterías de iones de litio es casi siempre grafito . [8] Los ánodos de grafito necesitan mejorar su estabilidad térmica y crear una mayor capacidad de potencia. [14] El grafito y otros electrolitos pueden sufrir reacciones que reducen el electrolito y crean una SEI (interfase electrolítica sólida), lo que reduce de manera efectiva el potencial de la batería. Actualmente se están investigando nanorrecubrimientos en la SEI para evitar que se produzcan estas reacciones. [8]

En las baterías de iones de litio, el SEI es necesario para la estabilidad térmica, pero impide el flujo de iones de litio desde el electrodo hasta el electrolito. Park et al. han desarrollado un recubrimiento de polidopamina a escala nanométrica de modo que el SEI ya no interfiere con el electrodo, sino que interactúa con el recubrimiento de polidopamina. [14]

Grafeno y otros materiales de carbono

El grafeno se ha estudiado ampliamente para su uso en sistemas electroquímicos como baterías desde su primer aislamiento en 2004. [15] El grafeno ofrece una gran superficie y buena conductividad. [16] En la tecnología actual de baterías de iones de litio, las redes 2D de grafito inhiben la intercalación suave de iones de litio; los iones de litio deben viajar alrededor de las láminas de grafito 2D para llegar al electrolito. Esto reduce la velocidad de carga de la batería. Actualmente se están estudiando materiales de grafeno poroso para mejorar este problema. El grafeno poroso implica la formación de defectos en la lámina 2D o la creación de una superestructura porosa basada en grafeno 3D. [15]

Como ánodo, el grafeno ofrecería espacio para la expansión, de modo que no se produciría el problema de la expansión del volumen. El grafeno 3D ha mostrado tasas de extracción de iones de litio extremadamente altas, lo que indica una alta capacidad reversible. [15] Asimismo, la visualización aleatoria de "castillo de naipes" que se ve a continuación del ánodo de grafeno permitiría que los iones de litio se almacenen no solo en la superficie interna del grafeno, sino también en los nanoporos que existen entre las capas individuales de grafeno. [17]

Raccichini et al. también describieron las desventajas del grafeno y de los compuestos basados ​​en grafeno. El grafeno tiene un gran mecanismo irreversible durante el primer paso de litiación. Como el grafeno tiene una gran área de superficie, esto dará como resultado una gran capacidad de irreversibilidad inicial. Propuso que este inconveniente era tan grande que las células basadas en grafeno son "inviables". [17] Todavía se están realizando investigaciones sobre el grafeno en ánodos.

Los nanotubos de carbono se han utilizado como electrodos para baterías que utilizan intercalación, como las baterías de iones de litio, en un esfuerzo por mejorar la capacidad. [18]

Óxidos de titanio

Los óxidos de titanio son otro material de ánodo que se ha investigado por sus aplicaciones en vehículos eléctricos y almacenamiento de energía en red. [6] Sin embargo, las bajas capacidades electrónicas e iónicas, así como el alto costo de los óxidos de titanio han demostrado que este material es desfavorable a otros materiales de ánodo. [8]

Ánodos a base de silicio

Los ánodos a base de silicio también han sido objeto de investigación, en particular por su mayor capacidad teórica que la del grafito. [8] [19] Los ánodos a base de silicio tienen altas tasas de reacción con el electrolito, baja capacidad volumétrica y una expansión de volumen extremadamente grande durante el ciclo. [12] Sin embargo, se han realizado trabajos recientes para disminuir la expansión de volumen en los ánodos a base de silicio. Al crear una esfera de carbono conductor alrededor del átomo de silicio, Liu et al. ha demostrado que este pequeño cambio estructural deja suficiente espacio para que el silicio se expanda y contraiga sin generar tensión mecánica en el electrodo. [12]

Materiales catódicos nanoestructurados

Las nanoestructuras de carbono se han utilizado para aumentar la capacidad de los electrodos, es decir, el cátodo. [6] [20] [21] En las baterías de LiSO2 , la nanoestructuración de carbono pudo aumentar teóricamente la densidad de energía de la batería en un 70% con respecto a la tecnología actual de baterías de iones de litio. [20] En general, se ha descubierto que las aleaciones de litio tienen una densidad de energía teórica mayor que los iones de litio. [5]

Tradicionalmente, el LiCoO2 se ha utilizado como cátodo en baterías de iones de litio. El primer cátodo alternativo que ha tenido éxito en vehículos eléctricos ha sido el LiFePO4 . [ 8] El LiFePO4 ha demostrado una mayor densidad de potencia, una vida útil más larga y una seguridad mejorada en comparación con el LiCoO2 . [ 8]

Grafeno

Durante la intercalación, a) iones de litio en una red de grafito, b) iones de litio en una red de grafeno, c) iones de sodio que no pueden encajar en una red de grafito, d) iones de sodio en una red de grafeno. [17]

El grafeno podría utilizarse para mejorar la conductividad eléctrica de los materiales de los cátodos. LiCoO2 , LiMn2O4 y LiFePO4 son materiales de cátodo de uso común en las baterías de iones de litio. Estos materiales de cátodo suelen mezclarse con otros materiales compuestos de carbono para mejorar su capacidad de velocidad. Como el grafeno tiene una conductividad eléctrica más alta que estos otros materiales compuestos de carbono, como el negro de carbono, el grafeno tiene una mayor capacidad para mejorar estos materiales de cátodo más que otros aditivos compuestos de carbono. [17]

Piao et al. han estudiado específicamente el grafeno poroso en relación con el grafeno solo. El grafeno poroso combinado con LiFePO4 resultó ventajoso con respecto al grafeno solo combinado con LiFePO4 , ya que mejoró la estabilidad del ciclo. [15] El grafeno poroso creó buenos canales de poros para la difusión de iones de litio y evitó la acumulación de partículas de LiFePO4 . [15]

Raccichini et al. sugirieron compuestos basados ​​en grafeno como cátodos en baterías de iones de sodio . Los iones de sodio son demasiado grandes para caber en la red típica de grafito, por lo que el grafeno permitiría que los iones de sodio se intercalaran. También se ha sugerido que el grafeno soluciona algunos de los problemas relacionados con las baterías de litio-azufre . Los problemas asociados con las baterías de litio-azufre incluyen la disolución del intermedio en el electrolito, la expansión de gran volumen y la mala conductividad eléctrica. [17] El grafeno se ha mezclado con azufre en el cátodo en un intento de mejorar la capacidad, la estabilidad y la conductividad de estas baterías. [17]

Electrodos de conversión

Los electrodos de conversión son electrodos en los que se rompen y reforman los enlaces iónicos químicos. También se produce una transformación de la estructura cristalina de las moléculas. [22] En los electrodos de conversión, se pueden acomodar tres iones de litio por cada ion metálico, mientras que la tecnología de intercalación actual solo puede acomodar un ion de litio por cada ion metálico. [6] Las proporciones mayores de iones de litio a iones de metal indican una mayor capacidad de la batería. Una desventaja de los electrodos de conversión es su gran histéresis de voltaje . [22]

Cartografía

Balke et al. se proponen comprender el mecanismo de intercalación de las baterías de iones de litio a escala nanométrica. [23] Este mecanismo se comprende a escala microscópica, pero el comportamiento de la materia cambia según el tamaño del material. Zhu et al. también están cartografiando la intercalación de iones de litio a escala nanométrica utilizando microscopía de sonda de barrido . [24]

Se han calculado modelos matemáticos para la intercalación de baterías de litio y aún se están investigando. [25] [26] Whittingham sugirió que no había un mecanismo único por el cual los iones de litio se mueven a través del electrolito de la batería. El movimiento dependía de una variedad de factores que incluían, entre otros, el tamaño de las partículas, el estado termodinámico o el estado metaestable de la batería y si la reacción operaba de manera continua. [25] Sus datos experimentales para LiFePO 4 – FePO 4 sugirieron que el movimiento de los iones de litio seguía una trayectoria curva en lugar de un salto recto lineal dentro del electrolito. [25]

También se han estudiado los mecanismos de intercalación para cationes polivalentes. Lee et al. han estudiado y determinado el mecanismo de intercalación adecuado para baterías de zinc recargables. [27]

Electrónica extensible

Estos electrodos similares a fibras están enrollados como resortes para obtener su flexibilidad. a) es un resorte sin estirar y b) es un resorte parcialmente estirado, lo que muestra cuán flexibles son estas fibras. [28]

También se han realizado investigaciones para utilizar resortes de fibra de nanotubos de carbono como electrodos. [ 28] LiMn2O4 y Li4Ti5O12 son las nanopartículas que se han utilizado como cátodo y ánodo respectivamente , y han demostrado la capacidad de estirarse hasta el 300% de su longitud original. Las aplicaciones de la electrónica estirable incluyen dispositivos de almacenamiento de energía y células solares. [28]

Baterías imprimibles

Investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles han desarrollado con éxito una "tinta de nanotubos" para fabricar baterías flexibles utilizando técnicas de electrónica impresa . [18] Se ha utilizado una red de nanotubos de carbono como una forma de nanocables conductores electrónicos en el cátodo de una batería de zinc-carbono . Usando tinta de nanotubos, el tubo de cátodo de carbono y los componentes de electrolito de óxido de manganeso de la batería de zinc-carbono se pueden imprimir como capas diferentes en una superficie, sobre la cual se puede imprimir una capa de ánodo de lámina de zinc. Esta tecnología reemplaza los colectores de carga como láminas o películas de metal con una matriz aleatoria de nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono agregan conductancia. [18] Se pueden fabricar baterías delgadas y flexibles que tienen menos de un milímetro de espesor.

Aunque las corrientes de descarga de las baterías están actualmente por debajo del nivel de uso práctico, los nanotubos en la tinta permiten que la carga se conduzca de manera más eficiente que en una batería convencional, de modo que la tecnología de nanotubos podría conducir a mejoras en el rendimiento de la batería. [29] Una tecnología como esta es aplicable a células solares , supercondensadores , diodos emisores de luz y etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID) inteligentes.

Investigando empresas

Toshiba

Al utilizar nanomateriales, Toshiba ha aumentado la superficie del litio y ha ensanchado el cuello de botella, lo que permite que las partículas atraviesen el líquido y recarguen la batería más rápidamente. Toshiba afirma que probó una batería nueva descargándola y recargándola por completo mil veces a 77 °C y descubrió que solo perdía el uno por ciento de su capacidad, lo que indica una larga vida útil de la batería. La batería de Toshiba tiene 3,8 mm de grosor, 62 mm de alto y 35 mm de profundidad.

Sistemas A123

A123Systems también ha desarrollado una batería nano comercial de iones de litio. A123 Systems afirma que su batería tiene el rango de temperatura más amplio, de -30 a +70 °C . Al igual que la nanobatería de Toshiba, las baterías de iones de litio A123 se cargan a "alta capacidad" en cinco minutos. La seguridad es una característica clave promocionada por la tecnología A123, con un video en su sitio web de una prueba de clavado de clavos, en la que se clava un clavo a través de una batería de iones de litio tradicional y una batería de iones de litio A123, donde la batería tradicional se enciende y burbujea en un extremo, la batería A123 simplemente emite una voluta de humo en el sitio de penetración. La conductividad térmica es otro punto de venta para la batería A123, con la afirmación de que la batería A123 ofrece una conductividad térmica cuatro veces mayor que las celdas cilíndricas de iones de litio convencionales. La nanotecnología que emplean es una tecnología de nanofosfato patentada.

Valencia

También está en el mercado Valence Technology , Inc. La tecnología que comercializan es la tecnología de iones de litio Saphion. Al igual que la A123, utilizan una tecnología de nanofosfato y materiales activos diferentes a los de las baterías de iones de litio tradicionales.

Altair

AltairNano también ha desarrollado una nanobatería que se recarga en un minuto. El avance que Altair afirma haber logrado está en la optimización del óxido de espinela de titanato de litio (LTO) nanoestructurado.

Fotónica estadounidense

US Photonics está desarrollando una nanobatería que utiliza nanomateriales " ecológicos " tanto para el ánodo como para el cátodo, así como conjuntos de contenedores de celdas individuales de tamaño nanométrico para el electrolito de polímero sólido. US Photonics ha recibido una subvención de fase I del SBIR de la National Science Foundation para el desarrollo de la tecnología de nanobaterías.

Sony

En 1991 se fabricó la primera batería de iones de litio basada en cobalto. Desde el inicio de esta primera batería de iones de litio, la investigación sobre nanobaterías ha estado en marcha y Sony continúa sus avances en el campo de las nanobaterías.

Véase también

Referencias

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  • [1]
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