Las baterías de los teléfonos celulares a menudo se calientan y, a veces, pueden estallar en llamas. En la mayoría de los casos, el culpable de tales incidentes se remonta a las baterías de litio. A pesar de proporcionar corrientes eléctricas de larga duración que pueden mantener los dispositivos encendidos, el litiolas baterías pueden cortocircuitar internamente, calentando el dispositivo.
Los investigadores de la Universidad Texas A&M han inventado una tecnología que puede evitar que las baterías de litio se calienten y fallen. Su diseño de nanotubos de carbono para la placa conductora de la batería, llamada ánodo, permite el almacenamiento seguro de una gran cantidad de iones de litio, reduciendo asíriesgo de incendio. Además, dijeron que su nueva arquitectura de ánodo ayudará a que las baterías de litio se carguen más rápido que las baterías actuales comercialmente disponibles.
"Hemos diseñado la próxima generación de ánodos para baterías de litio que son eficientes en la producción de corrientes grandes y sostenidas necesarias para cargar rápidamente los dispositivos", dijo Juran Noh, un estudiante graduado de ciencias de materiales en el laboratorio del Dr. Choongho Yu en J. MikeWalker '66, Departamento de Ingeniería Mecánica. "Además, esta nueva arquitectura evita que el litio se acumule fuera del ánodo, lo que con el tiempo puede causar un contacto involuntario entre el contenido de los dos compartimentos de la batería, que es una de las principales causas de explosiones del dispositivo".
Sus resultados se publican en la edición de marzo de la revista Nano letras .
Cuando las baterías de litio están en uso, las partículas cargadas se mueven entre los dos compartimientos de la batería. Los electrones emitidos por los átomos de litio se mueven de un lado a otro de la batería. Por otro lado, los iones de litio viajan en la otra dirección.batería, iones de litio y electrones vuelven a sus compartimientos originales.
Por lo tanto, la propiedad del ánodo, o el conductor eléctrico que aloja los iones de litio dentro de la batería, juega un papel decisivo en las propiedades de la batería. Un material de ánodo de uso común es el grafito. En estos ánodos, los iones de litio se insertan entre capas deSin embargo, Noh dijo que este diseño limita la cantidad de iones de litio que se pueden almacenar dentro del ánodo e incluso requiere más energía para extraer los iones del grafito durante la carga.
Estas baterías también tienen un problema más insidioso. A veces los iones de litio no se depositan uniformemente en el ánodo. En cambio, se acumulan en la superficie del ánodo en trozos, formando estructuras en forma de árbol, llamadas dendritas. Con el tiempo, las dendritas crecen y eventualmenteperfora a través del material que separa los dos compartimentos de la batería. Esta ruptura hace que la batería se cortocircuite y puede incendiar el dispositivo. Las crecientes dendritas también afectan el rendimiento de la batería al consumir iones de litio, dejándolos no disponibles para generar una corriente.
Noh dijo que otro diseño de ánodo implica el uso de metal de litio puro en lugar de grafito. En comparación con los ánodos de grafito, aquellos con metal de litio tienen un contenido de energía mucho mayor por unidad de masa o densidad de energía. Pero también pueden fallar de la misma manera catastrófica debido ala formación de dendritas.
Para abordar este problema, Noh y sus compañeros de equipo diseñaron ánodos utilizando materiales altamente conductores y livianos llamados nanotubos de carbono. Estos andamios de nanotubos de carbono contienen espacios o poros para que los iones de litio entren y se depositen. Sin embargo, estas estructuras no se unen favorablemente a los iones de litio..
Por lo tanto, hicieron otros dos ánodos de nanotubos de carbono con una química de superficie ligeramente diferente, uno mezclado con una gran cantidad de grupos moleculares que pueden unirse a iones de litio y otro que tenía los mismos grupos moleculares pero en menor cantidad. Con estos ánodos,construyeron baterías para probar la propensión a formar dendritas.
Como se esperaba, los investigadores descubrieron que los andamios hechos con nanotubos de carbono no se unían bien a los iones de litio. En consecuencia, casi no había formación de dendritas, pero la capacidad de la batería para producir grandes corrientes también se vio comprometida. Por otro lado, los andamioscon un exceso de moléculas de unión formaron muchas dendritas, acortando la vida útil de la batería.
Sin embargo, los ánodos de nanotubos de carbono con una cantidad óptima de moléculas de unión impidieron la formación de dendritas. Además, una gran cantidad de iones de litio podría unirse y extenderse a lo largo de la superficie del andamio, aumentando así la capacidad de la batería para producir grandes y sostenidascorrientes
"Cuando los grupos moleculares de unión son abundantes, los grupos de metal de litio hechos de iones de litio terminan obstruyendo los poros de los andamios", dijo Noh. "Pero cuando teníamos la cantidad justa de estas moléculas de unión, podríamos 'descomprimir''los andamios de nanotubos de carbono en ciertos lugares, permitiendo que los iones de litio entren y se unan a toda la superficie de los andamios en lugar de acumularse en la superficie externa del ánodo y formar dendritas ".
Noh dijo que sus ánodos de alto rendimiento manejan las corrientes cinco veces más que las baterías de litio disponibles en el mercado. Señaló que esta característica es particularmente útil para baterías a gran escala, como las que se usan en automóviles eléctricos, que requieren una carga rápida.
"Construir ánodos de metal de litio que son seguros y tienen una vida útil larga ha sido un desafío científico durante muchas décadas", dijo Noh. "Los ánodos que hemos desarrollado superan estos obstáculos y son un paso inicial importante hacia las aplicaciones comerciales de las baterías de metal de litio"
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