Mejores baterías con nanotubos de carbono

En un futuro no muy lejano las baterías podrán aumentar su poder de capacidad energética como resultado de un nuevo hallazgo de los investigadores del MIT. Descubrieron que el uso de nanotubos de carbono en uno de los electrodos de la batería produce un aumento significativo en la cantidad de energía que puede ser almacenada (hasta diez veces). Esta mejora en el rendimiento de las baterías reduciría el tamaño y el peso final gracias a que se necesitará menos cantidad de material para su fabricación en comparación con una batería de Litio – Ion convencional. Por este nuevo trabajo de investigación, se verán beneficiados desde los dispositivos móviles pequeños hasta las aplicaciones más exigentes.

Para producir los nuevos electrodos, los investigadores utilizaron un método de fabricación denominado “capa por capa”, en el que un material de base (sustrato) es sumergido en soluciones que contienen nanotubos de carbono tratados con compuestos orgánicos simples, otorgándoles cargas positivas o negativas. Cuando estas capas se alternan en una superficie, se enlazan de modo firme gracias a la unión de cargas que son complementarias entre sí y conforman una película estable y duradera. Además de las ventajas indicadas, como la alta potencia o la mayor capacidad de almacenamiento, los electrodos de nanotubos de carbono mostraron muy buena estabilidad en el tiempo. Después de mil ciclos de carga y descarga aplicados a una batería de pruebas, no se registró ningún cambio perceptible en el rendimiento del material.

Los resultados fueron publicados en la revista Nature Nanotechnology y el trabajo de investigación fue realizado por un equipo dirigido por Yang Shao-Horn, profesor de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales e Ingeniería, en colaboración con la profesora de Ingeniería Química, Paula Hammond. Los autores principales de esta investigación son las estudiantes Betar Gallant y Seung Woo Lee, junto con el investigador Naoaki Yabucchi.

Las baterías, como las de Litio – Ion (ampliamente utilizadas en dispositivos electrónicos portátiles), están fabricadas con tres componentes básicos: dos electrodos, uno negativo y otro positivo, separados entre sí por un electrolito. Este tercer componente es un material conductor de la electricidad a través del cual las partículas cargadas, o iones, pueden moverse con facilidad. Cuando estas baterías están en uso, los iones de litio con carga positiva viajan produciendo una corriente eléctrica que recorre y alimenta el circuito conectado a la batería. Durante el proceso de recarga, una corriente externa (provista por un dispositivo dedicado a esta finalidad) provoca que estos iones se muevan a la inversa para que sean incorporados en el material poroso del ánodo.

En el electrodo de la nueva batería, los nanotubos de carbono (una forma de carbono puro en el que las hojas de los átomos de carbono están enrolladas en forma de diminutos tubos) se "auto-ensamblan" en una estructura unida de manera firme que es porosa en escala nanómetrica (la milmillonésima parte del metro). Este proceso de "auto-ensamble electrostático" es muy importante, explica Hammond, porque generalmente los nanotubos de carbono sobre una superficie tienden a agruparse en paquetes, dejando menos superficie expuesta a sufrir reacciones. Mediante la incorporación de moléculas orgánicas (en los nanotubos), se obtiene un alto grado de porosidad que se incrementa con la presencia de grandes cantidades de nanotubos de carbono.

Potencia y estabilidad
“Con el nuevo material, las baterías de litio demuestran que pueden ofrecer productos de muy alta potencia en ráfagas cortas y que pueden proporcionar energía constante durante largos períodos a dispositivos de bajo consumo”, afirmó Seung Woo Lee. La producción de energía para un peso determinado de este nuevo material es cinco veces mayor que los sistemas convencionales, y la tasa de entrega de potencia total fue diez veces superior al de las baterías de Litio–Ion convencionales, aseguró el equipo. Este rendimiento se puede atribuir a una buena conducción de los iones y electrones en los electrodos y al eficiente almacenamiento del litio en la superficie de los nanotubos.

Además de ofrecer alta potencia energética, los electrodos de nanotubos de carbono mostraron muy buena estabilidad en el tiempo. Después de mil ciclos de carga y descarga sobre una batería de pruebas, no hubo ningún cambio perceptible en el rendimiento del material. Los electrodos producidos por el equipo tenían espesores de hasta unos pocos micrones, y las mejoras en la prestación energética sólo se observaron a niveles de salida de alta potencia. En futuros trabajos, el equipo aspira a producir electrodos de mayor espesor y ampliar las mejoras de rendimiento de los productos de bajo consumo. “En su forma actual, el material podría tener aplicaciones dentro del área de los pequeños dispositivos electrónicos portátiles”, dice Shao-Horn. “Pero si se logran electrodos con espesores de varios cientos de micrones, este hallazgo podría ser adecuado para otras aplicaciones más exigentes como los coches híbridos”.

Si bien el material del electrodo fue producido por la inmersión de un sustrato en dos soluciones diferentes y en forma alternada (lo que da por resultado un proceso lento), la profesora Hammond sugiere que el método podría ser modificado por técnicas más optimizadas que se están ensayando en su laboratorio. En última instancia, podría abrir la posibilidad de un proceso de fabricación continuo que puede ser ampliado a un alto volumen de producción comercial. También podría ser utilizado para producir electrodos más gruesos con mayores posibilidades de entregar altas corrientes. "No hay un límite real sobre el espesor potencial”, dice Hammond. "El único límite es el tiempo que toma para hacer las capas, y la técnica de proyección puede ser un proceso hasta 100 veces más rápido que la inmersión”.

Seung Woo Lee dice que los nanotubos de carbono han sido producidos en cantidades limitadas hasta la fecha; sin embargo, un número importante de compañías se están preparando para la producción en masa de este tipo de  materiales, y este hecho podría ayudar a que sea viable la fabricación de baterías a gran escala.