Baterías de caparazón de cangrejo

Resulta sorprendente encontrarse en Nano Letters un trabajo así, que a primera vista hace pensar en una idea escatológica que busca llamar la atención sin aportar realmente resultados interesantes. Además, al tratarse de un trabajo de Stanford, concretamente de nuestro Leo Messi de las baterías, el profesor Yi Cui, uno puede pensar que a este hombre ya se lo publican todo.

Pero no es así, «Crab Shells as Sustainable Templates from Nature for Nanostructured battery electrodes» (Caparazones de cangrejo como moldes naturales sostenibles para electrodos de batería nanoestructurados) es otro excelente trabajo del profesor Yi Cui que ofrece un modo barato de sortear difíciles procesos para estructurar los electrodos y lo acompaña con resultados excepcionales.

Muchos de los avances que hemos visto en acumuladores van de la mano de la nanotecnología, gracias a las reducidas dimensiones de las estructuras que forman los electrodos se consigue una mayor superficie que redunda en mejores rendimientos de las baterías. Vemos así como nanoesferas, nanotubos, nanohilos o incluso nanolazos mejoran los resultados sin cambiar de material. El problema suele ser que obtener esas estructuras suele ser tedioso, caro e incluso contaminante.

Sin embargo es posible aprovechar nanoestructuras que se encuentran disponibles en la naturaleza como moldes, algo que se viene haciendo con cristales fotónicos, imanes o sensores, y que reduce el número de pasos del proceso, evitando generalmente los más complejos. Muchos esqueletos y exoesqueletos de animales son nanoestructurados, como es el caso del caparazón de muchos cangrejos de mar, formado por tubos de unas decenas de nanómetros de diámetro y longitudes en el orden de las micras, perfecto para un electrodo. La clave del éxito es encontrar los pasos adecuados, pasos compatibles con los materiales, tanto del molde como del relleno.

En este trabajo se demuestra el uso de esta técnica tanto para el ánodo, para el que han usado silicio, como para el cátodo, que lo han fabricado de azufre. Como hemos visto otros veces estos materiales tiene una capacidad especifica teórica muy superior a los usados en la baterías comerciales (4200 y 1673 mAh/g respectivamente, frente a los teóricos 350 mAh/g del grafito y los 272 mAh/g del LiCoO₂).

Para fabricarlos comienzan calcinando la materia orgánica (quitina) alojada en lo cilindros y recubren la estructura de carbonato cálcico con una fina capa de carbono para luego proceder a su llenado con el silicio o el azufre. El carbonato cálcico será luego fácil y ecológicamente disuelto en clorhídrico. El carbono servirá como sustento del material activo cuando se quite el molde, protegiendo al azufre de disolverse en forma de polisulfitos y al silicio de los cambios de volumen y la formación excesiva de la capa interfase sólido-electrolito (SEI).

El objetivo es obtener una nanoestructura similar a los nanohilos de silicio que usaran las pilas de Amprius, empresa formada a partir del grupo del propio profesor Yi Cui, y los resultados son tan buenos como los obtenidos con técnicas convencionales.

Para el cátodo de azufre/carbono la capacidad especifica llega a los 1050 mAh/g (a C/10) y para el ánodo de silicio/carbono es estable sobre los 2010 mAh/g (a C/2), mostrando en ambos casos una excelente ciclabilidad y una eficiencia coulombiana mayor del 98% para 200 ciclos, pudiendo trabajar a 1C con una buena recuperación, lo que permite cargas rápidas.

Con estos buenos resultados esperan que el uso de moldes naturales pueda llegar a la fabricación de baterías más baratas y con mejores rendimientos, puntualizando que al año se genera medio millón de toneladas de desperdicios de cangrejo, más que suficiente para abastecer la fabricación actual de electrodos.

Fuente | Nano Letters