Un equipo de investigadores de China, Taiwán y Estados Unidos ha publicado en la revista Science el desarrollo de un ánodo compuesto de fósforo negro en dos dimensiones que admite una alta velocidad de carga sin sacrificar la capacidad y la estabilidad de los ciclos de carga y descarga. Este material, que es un equivalente casi idéntico al grafeno daría lugar a unas baterías de litio que, implementadas en los vehículos eléctricos, harían competitivos sus tiempos de recarga con los de los que se necesitan los de combustión.
El fósforo negro (BP) es una forma alotrópica del fósforo blanco (una variante con una estructura atómica diferente) que se obtiene al tratar este elevadas presiones. Una de sus propiedades más importantes es su conductividad eléctrica. En este aspecto es un equivalente casi idéntico al grafeno lo que significa que es un candidato excelente para ser empleado en componentes electrónicos. Su mayor problema, como en el caso del grafeno, es la dificultad para obtenerlo en láminas a escala nanométricas.
En la actualidad, el mayor hándicap que deben superar los vehículos eléctricos es lograr elevar la velocidad de carga para que les permita recuperar una autonomía similar a la de los vehículos de combustión en una parada de cinco minutos. En el artículo publicado por los investigadores se indica que para ello las celdas de iones de litio deben ser capaces de alcanzar una energía específica de 350 Wh/kg. Los materiales del ánodo deben admitir una capacidad gravimétrica específica de 350 a 400 mAh/g, con una densidad de corriente de carga y descarga de más de 5 Ah/g. Para lograr este objetivo, es un requisito fundamental desarrollar simultáneamente un material de electrodo que presente una alta capacidad teórica y una excelente conductividad eléctrica, que saquen el máximo partido a la difusividad de los iones de litio (Li +) necesaria para una carga muy rápida.
En este punto es donde entra en juego el fósforo negro. Laminado en capas, presenta varias características atractivas en cuanto a capacidad y velocidad para el almacenamiento de litio. Teóricamente, el BP puede entregar una capacidad gravimétrica de 2.596 mAh/g, que solo es superada por el silicio (4200 mAh/g) y el litio metálica (3.860 mAh/g).
Esquemas del electrodo (BP-G) en el que el recubrimiento ayuda a evitar la formación continua de fluoruros y carbonatos de Li malos conductores. Imagen: Science.
En su estudio, los investigadores encontraron que la formación de enlaces covalentes (cuando dos átomos comparten los electrones del nivel exterior) con carbono grafítico crea bordes abiertos que permiten una rápida entrada de los iones de litio. El recubrimiento de las partículas de BP-grafito produce una interfase sólido-electrolito estable e inhibe el crecimiento continuo de fluoruros y carbonatos de Li, que son malos conductores, por lo que se asegura un transporte eficiente de los iones de litio.
El compuesto que se presenta en este estudio para ser utilizado en el ánodo de las celdas de las baterías de los vehículos eléctricos, ofrece una combinación de alta velocidad de carga, alta capacidad de almacenamiento y una estabilidad en los ciclos de carga y descarga, lo que elimina varios de los inconvenientes de las baterías de litio convencionales. Su implementación reduce los problemas de degradación que habitualmente provoca el exceso de uso de la carga rápida, y eleva la potencia de recarga que puede admitir la batería reduciendo los tiempos de espera a los niveles que permiten los vehículos de combustión.
