En las baterías que actualmente se utilizan en los vehículos eléctricos, si bien la química del cátodo es la que ofrece más posibilidades para modificar las características finales de las celdas (NCM, NCA, LOT, LCO), el ánodo también tiene su importancia. De hecho para aumentar la densidad de energía hasta ahora se recurría a dos opciones; o bien incrementar el porcentaje de níquel en el cátodo o el de silicio en el ánodo, aunque esta segunda opción complica el mantenimiento estructural de la celda.
Investigadores del Instituto alemán de Energía e Investigación del Clima (Institute of Energy and Climate Research) han trabajado sobre esta parte de la batería creando un material formado por nanopartículas de óxido de estaño enriquecidas con antimonio sobre una capa base de grafeno. Según explica la profesora Dina Fattakhova-Rohlfing "el óxido de estaño pueden alcanzar capacidades específicas mucho más altas, ya que absorbe más iones de litio y por lo tanto almacena más energía que los ánodos de carbono que se usan actualmente". Sin embargo su problema radica en la inestabilidad estructural, de forma que la capacidad de almacenamiento disminuye tan radicalmente que la batería solo puede recargarse un par de veces: "El volumen del ánodo cambia con cada ciclo de carga y descarga, lo que hace que se desmorone".
Para solucionar este problema, el equipo investigador ha utilizado una base de grafeno sobre la que se cultivan directamente las partículas de 3 nm (nanómetros) de óxido de estaño enriquecidas con nanopartículas de antimonio. Por un lado el grafeno aporta la estabilidad estructural. El pequeño tamaño de las partículas de estaño y el buen contacto mejora la tolerancia a los cambios de volumen volviéndose más estable y duradero en el tiempo. El antimonio asegura que el material sea extremadamente conductor, con lo que se consigue "almacenar un vez y media más de energía en solo un minuto de lo que no sería posible con los ánodos de grafito convencionales". Incluso puede almacenar "tres veces más energía durante un tiempo de carga de una hora", afirma la profesora.
Los ciclos de carga rápidos reducen la capacidad de las baterías: "Tales densidades de energía solo se lograron anteriormente con tarifas de carga bajas". Los ánodos mejorados con antimonio y estabilizados con grafito conservan el 77% de su capacidad energética inicial tras 1.000 ciclos de carga y descarga.
La producción de este tipo de ánodos es fácil y rentable, y los conceptos aplicados son utilizables para el diseño de otro tipo de ánodos para las baterías de litio. "Esperamos que nuestro desarrollo allane el camino a las baterías de iones de litio para alcanzar una densidad de energía significativamente mayor y un tiempo de carga mucho más corto", concluyó la científica.
El grafeno utilizado en diferentes partes de las baterías promete ser un material que puede llevar a las baterías de litio a una nueva dimensión en cuanto a capacidad y diseño. Así por ejemplo, una investigación similar, realizada por Warwick Manufacturing Group (WMG) en la Universidad de Warwick, Reino Unido y publicada en febrero de este año logró reemplazar el grafito en los ánodos de las baterías de iones de litio con silicio usando pequeñas estructuras de grafeno como refuerzo, para de esta forma duplicar la vida útil de las baterías.
