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Baterías no combustibles de Litio y madera

La alimentación de los dispositivos electrónicos que nos rodean, desde smartphones y tablets a todo tipo de gadgets y aparatos conectados a Internet de las Cosas depende de lo mismo: una batería que proporcione suficiente autonomía con el menor tamaño y peso posible. Otras necesidades, como que no se calienten en exceso, también son importantes, no sólo por el riesgo que pueda suponer en cuestiones de seguridad sino por el derroche de energía que se desperdicia.

Un equipo de ingenieros dirigidos por John Goodenough, profesor en la Escuela de Cockrell de Ingeniería de la Universidad de Texas en Austin ha desarrollado las primeras celdas de una pila totalmente de estado sólido que podría conducir a baterías más seguras, más rápidas de carga, con y con mayor duración en dispositivos recargables como móviles, coches eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía estacionaria.

Se da la circunstancia de que Goodenough, de 94 años de edad, es el co-inventor de la batería de iones de litio.

El Último avance de Goodenough, completado con la Investigadora Senior Maria Helena Braga, de la Escuela Cockrell, es una batería sólida de bajo costo, que no es combustible y tiene un largo ciclo de vida (duración de la batería) con una alta densidad de energía volumétrica y rápidas velocidades de carga y de descarga. Los ingenieros describen su nueva tecnología en un artículo reciente publicado en la revista Energy & Environmental Science.

“El coste, la seguridad, la densidad de energía, las tasas de carga y descarga y ciclo de vida son críticos para que los coches eléctricos se utilicen aún más. Creemos que nuestro descubrimiento resuelve muchos de los problemas que son inherentes a las baterías de hoy en día “, dijo Goodenough.

Los investigadores demostraron que los nuevos módulos de la batería tienen por lo menos tres veces más densidad de energía que las baterías de iones de litio de hoy en día. La densidad de energía del módulo, o célula, de batería significa que un coche puede conducir más millas entre cargas. La formulación de la batería UT Austin también permite un mayor número de ciclos de carga y descarga, lo que equivale a baterías de mayor duración, así como una mayor velocidad de recarga (minutos en vez de horas).

John Goodenough, co inventor de la batería de Iones de Litio,en su laboratorio.

Las baterías de iones de litio actuales utilizan electrolitos líquidos para el transporte de los iones de litio entre el ánodo (el lado negativo de la batería) y el cátodo (el lado positivo de la batería). Si una célula de la batería se carga demasiado rápido, puede causar dendritas o “bigotes de metal” a través de los electrolitos líquidos, causando un cortocircuito que puede llevar a explosiones e incendios. En lugar de electrolitos líquidos, los investigadores han confiado en electrolitos de vidrio que permiten el uso de un ánodo de metal alcalino sin la formación de dendritas.

El uso de un ánodo de metal alcalino (litio, sodio o potasio) – que no es posible con las baterías convencionales – aumenta la densidad de energía de un cátodo y proporciona un ciclo de vida largo.

En los experimentos, las células de los investigadores han demostrado más de 1.200 ciclos con baja resistencia a la célula. Además, debido a que los electrolitos de vidrio sólido pueden operar, o tiene una alta conductividad, a -20 grados Celsius, este tipo de batería en un coche podría realizar bien en temperaturas bajo cero. Esta es la primera batería de todas las sólidas que puede operar por debajo de 60 grados Celsius.

Fuente: The University of Texas at Austin

Baterías de madera más eficaces y también más seguras frente a la ignición

Mientras tanto, los ingenieros de la Universidad de Maryland han utilizado la madera modificada como una arquitectura única para el electrodo negativo de una batería de metal de litio (Li), tratando de evitar algunos de los factores clave que conducen a fallo de la batería. En este nuevo tipo de batería, en lugar de almacenar iones de Litio en un bloque de metal, los ingenieros han logrado almacenar Li en los canales naturales de la madera que fueron utilizados una vez para llevar el agua y los nutrientes.

Esto resuelve un problema de seguridad provocado por el traspaso de energía en las baterías.

Cuando una batería está cargada, el electrodo negativo, de metal de litio, se expande; y cuando se descarga, el metal Li se contrae. Este rápido cambio en el tamaño conduce a crecimientos indeseables de Li en la superficie del metal. Este daño se acumula con el tiempo y puede suponer un riesgo de seguridad como el sobrecalentamiento o un incendio. Un diseño novedoso para una batería de metal más seguro Li creado por Ying Zhang, MSE Ph.D., puede aumentar la densidad de energía de una batería, lo que aumenta la potencia disponible para dispositivos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos, al tiempo que reduce el riesgo de sobrecalentamiento de la batería.

La batería hecha de esta manera puede funcionar con seguridad incluso con carga rápida y tasas de descarga altas.

La densidad de corriente de una batería es una métrica que utilizan los ingenieros para describir la rapidez con que el metal Li se deposita en la superficie; una alta densidad de corriente es equivalente a tener clientes excesivos entrando y saliendo de un “hotel” y que puede causar problemas cuando se producen choques en cadena en la puerta. Estos apilamientos se pueden evitar simplemente aumentando el número de puertas disponibles a los iones Li para entrar en este “hotel” de madera, que es el método utilizado en esta investigación. Incluso si el número total de “huéspedes” Li metal que entra en un momento sigue siendo el mismo sólo un pequeño número de “huéspedes” pasa a través de cualquier puerta en un momento dado, lo que es conocido como la densidad de corriente local. Mediante el uso de la gran área superficial proporcionada por las paredes de cada canal de la madera, la densidad de corriente local puede ser minimizada, lo que facilita el movimiento controlado de Li metal. El diseño en madera de este “hotel”, con sus muchos canales rectos, ofrece un montón de puertas para los clientes por lo que el metal de Li puede ser acorralado en canales individuales, comportándose de una manera ordenada, predecible incluso bajo alta densidad de corriente (3 mA / cm2) y evitando las estructuras ramificadas de Li que pueden causar fallo de la batería. Algo que tuvo su inicio como madera natural, por lo tanto, ayuda a los ingenieros construir baterías más resistentes y estables para el futuro.

Credit: University of Maryland

Fuente: Actas de la Academia Nacional de Ciencias

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