Un equipo de científicos de la Universidad de Texas en Austin, que experimenta con los componentes clave de las baterías de litio ha estado trabajando para modificar la arquitectura horizontal de los electrodos y transformarla en vertical. De esta manera, han ideado un nuevo diseño que puede hacer que vehículos eléctricos aumenten su velocidad de carga y multipliquen por dos su autonomía. El avance se centra en un nuevo electrodo engrosado compuesto por capas apiladas verticalmente que facilita el transporte de los iones de litio.
El objetivo del trabajo de este equipo de científicos se centró en el diseño de los electrodos de las baterías. El enfoque tradicional en este componente de las celdas implica el uso de capas apiladas de materiales bidimensionales, muy finos, que forman el electrodo. Sin embargo, esta geometría tiene sus límites.
El empleo de electrodos más gruesos significa un mayor potencial de almacenamiento de energía ya que ofrece una superficie mayor para cubrir con los iones de litio. Pero las capas alineadas horizontalmente obligan a los iones a moverse de un lado a otro a medida que salen y entran en los electrodos, lo que conduce a tiempos de carga más lentos.
"Se cree comúnmente que los materiales bidimensionales son candidatos prometedores para aplicaciones de almacenamiento de energía de alta velocidad porque solo necesitan tener varios nanómetros de espesor para el transporte rápido de carga", explica Guihua Yu, el autor del estudio que fue publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. "Sin embargo, para las baterías de alta energía basadas en el diseño de electrodos gruesos, el re-apilamiento de nanoláminas como bloques de construcción puede causar cuellos de botella significativos en el transporte de carga, lo que dificulta lograr una alta energía y una carga rápida".
Para lograr la mayor capacidad energética y una carga muy rápida, los investigadores idearon una nueva forma de unir las capas delgadas del material del electrodo. El uso de campos magnéticos permitió manipular cuidadosamente la orientación de estas capas, disponiéndolas en pilas verticales en lugar de la típica forma horizontal. El efecto de este cambio es la creación de "vías eficientes para el transporte de masa" de los iones a través del electrodo.
"Nuestro electrodo muestra un rendimiento electroquímico superior en parte debido a la alta resistencia mecánica, la alta conductividad eléctrica y la facilidad para el transporte de los iones de litio, gracias a la arquitectura única que diseñamos", afirma el autor del estudio Zhengyu Ju. Sus nuevos electrodos superaron con creces el rendimiento de los electrodos comerciales.
El equipo utilizó una segunda batería con capas de electrodos apiladas horizontalmente como un sistema de control. El electrodo apilado verticalmente se pudo recargar al 50 % de su capacidad en 30 minutos, mientras que el electrodo apilado horizontalmente tardó 2 horas y 30 minutos en cargarse al mismo nivel.
Los investigadores afirman que este electrodo denso y grueso está entre los que ofrecen las mejores cifras de capacidad "reportadas en la literatura". Según sus conclusiones, podrían dar lugar a vehículos eléctricos con el doble de autonomía en comparación con los electrodos de batería disponibles en el mercado. Sus responsables advierten que todavía hay mucho más trabajo por hacer para que ese objetivo se cumpla porque por ahora solo ha aplicado esta técnica a un solo tipo de electrodo de batería. Sin embargo, creen que podría ser una "metodología potencialmente universal".