Nueva batería de Litio para el conejito de Duracell ¡y duran, y duran, …! (o la nanotecnología hasta en la sopa)

Por Francisco R. Villatoro, el 8 febrero, 2008. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Personajes • Televisión ✎ 3

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La sección “Horizons” de la revista Nature presenta artículos que merece la pena leer, porque no decepcionan. El artículo “Building better batteries“, Armand & Tarascon,
Nature 451, 652-657 (7 February 2008), no es la excepción que confirma la regla.

Todas las baterías están compuestas por dos electrodos conectados por un electrolito (un material conductor de iones) que tienen diferentes potenciales químicos de forma que los electrones fluyen espontáneamente del electrodo de potencial más negativo al de más positivo cuando se conectan a un circuito externo. El electrolito permite el transporte de iones que equilibran el desequilibrio de carga por el transporte de electrones. En las baterías recargables, la aplicación de un voltaje suficientemente alto en la dirección opuesta logra que la batería se rearga (se restituyen los iones transportados).

Maximizar la cantidad de energía almacenada en la batería requiere (1) una gran diferencia de potencial químico entre los electrodos, (2) minimizar el volumen de reactivos por electrón intercambiado, y (3) garantizar que el electrolito no se consume en la batería. Esta tercera propiedad es la gran ventaja de las baterías de las baterías de ión-litio (Sony, 1991) de nuestros teléfonos móviles.

El uso de las baterías ión-litio en automóviles eléctricos, hay unos 800 millones de coches en el mundo, por ejemplo, con baterías típicas de ión-litio de 15-kWh consumiría el 30% de las reservas mundiales conocidas de litio. Sin embargo, el océano contiene cantidades “casi” ilimitadas de litio que hoy en día no se pueden explotar de forma barata. Por supuesto, estos números se minimizan con una buena política de reciclado. Además, las baterías de ión-litio no son todo lo “ecológicas” que nos gustaría, producen unos 70 kg de CO2 por kWh.

Aún así, si queremos que el futuro de la automoción esté en vehículos eléctricos, es necesario desarrollar nuevas tecnologías de baterías. Las baterías nanotecnológicas y baterías biológicas son la gran esperanza. Entre las primeras, destaca el artículo “High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires,” Chan et al., Nature Nanotechnology 3, pp. 31 – 35 (2008), escrito por investigadores del grupo del Dr. Cui (Universidad de Stanford, EEUU). El silicio es un material ideal como ánodo en baterías de litio ya que tiene un potencial químico de descarga muy bajo y la capacidad de carga (calculada teóricamente) más alta conocida (ideal para automoción eléctrica y para almacenar energía eléctrica utilizando paneles solares). Pero tiene un problema.

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 El ánodo de silicio tiene que absorber iones de litio cargados positivamente durante la carga y devolverlos durante el uso, pero en este proceso su volumen varía muchísimo (hasta un 400%). Por ello, la cantidad de litio que puede almacenar el ánodo de silicio es más pequeña de lo deseable. Para superar esta barrera el Dr. Cui proponen el uso de un “bosque” de nanohilos de silicio (cuyo diámetro es mil veces más pequeño que el grosor de una hoja de papel) sobre un sustrato de acero, un excelento conductor, que permiten almacenar muchos más iones de litio (se hinflan hasta alcanzar 4 veces su tamaño descargados) y permite producir hasta 10 veces más electricidad que una batería ión-litio convencional (ya que el ánodo alcanza el 75% de la capacidad de descarga máxima teórica). Los investigadores creen que esta tecnología se podrá comercializar próximamente.

Los americanos ven la “veta comercial” rápidamente y el Dr. Cui ya está pensando en crear una empresa para colaborar con los fabricantes de baterías. Afortunadamente, la teoría de crecimiento de nanohilos de silicio está bastante avanzada.

Hagamos un poco de futurología. ¿Qué pueden suponer estas baterías “a pie de calle”? Un portátil típico podrá funcionar 40 horas seguidas. Los coches eléctricos podrán recorrer cientos de kilómetros sin necesidad de recarga.

Por supuesto, hay un problema todavía no resuelto: conseguir mejores cátodos (actualmente la gran esperanza de muchos grupos de investigación por todo el mundo).



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