Universidades de Irlanda presentan un ánodo de germanio de gran capacidad y con una estabilidad realmente asombrosa. Gracias a la estructura formada a partir de nanohilos, el ánodo de germanio tiene muchas posibilidades de sustituir a los actuales ánodos de grafito en las baterías de ion-litio.
La investigación forma parte de un proyecto europeo enfocado en obtener baterías más ecológicas con mejores rendimientos que las actuales y está integrado por empresas y grupos de investigación entre los que encontramos varios nombres españoles.
GreenLion es un proyecto de la comunidad europea enmarcado dentro del programa FP7 y centrado en la mejora de las baterías de ion litio actuales. El proyecto tiene como fin fabricar baterías más baratas y más ecológicas, para lo cual pretenden desarrollar métodos de fabricación libres de productos contaminantes. Para ello se buscan químicas con base acuosa, la eliminación de fluorados y la reducción del uso de aglutinantes.
Es un proyecto de 4 años que recientemente ha cruzado el ecuador de su duración. En él se encuentran envueltas 16 entidades europeas, 10 empresas, entre las que están Cegasa, Seat y Volkswagen, 3 universidades y 3 centros de investigación. Es precisamente el centro de investigación Vasco CIDETEC el encargado de la dirección del proyecto.
La visión global del proyecto incluye la fabricación de baterías completas y funcionales, no solo las celdas, usando procesos más sostenibles y viables y con vistas también a facilitar el reciclaje de las baterías cuando estas dejen de ser útiles. En la pagina del proyecto es evidente que el este está enfocado en acumuladores para vehículos eléctricos.
Una de las estrategias para lograr estos propósitos es el desarrollo de un ánodo que no utilice grafito y que crezca directamente en el contacto del electrodo, de modo que no sea necesario usar aglutinantes. Según los resultados presentados por la universidades irlandesas de Limerick y Cork, patrocinadas por este proyecto europeo, parece que lo han conseguido.
El artículo publicado en NanoLetters «High-Performance Germanium Nanowire-Based Lithium-Ion Battery Anodes Extending over 1000 Cycles Through in Situ Formation of a Continuous Porous Network» no deja mucho por adivinar más allá del título. El ánodo de alta capacidad para baterías de ion-litio basado en nanohilos de germanio es capaz de sobrevivir más de 1.000 ciclos gracias a la formación local de una red de poros.
En otras palabras, han sido capaces de crecer directamente sobre una lámina de acero estructuras muy delgadas que forman una red de muy densa. Al hacerlo directamente sobre el acero, que posteriormente actuará como contacto de la batería, se puede prescindir de los adhesivos necesarios normalmente para mantener un buen contacto entre el grafito y el metal. Un punto débil de la batería, que pierde propiedades con el tiempo y con el calor y que no será un problema para esta nueva tecnología.
El material del que están compuestos los nanohilos es germanio. Ya se conocían la papeletas de este material para su uso en baterías de ion lito, ya que con una capacidad teórica de 1.384 mAh/g podría llegar a acumular más del triple que el grafito. Aunque se queda corto frente a la capacidad teórica del silicio (3579 mAh/g) lo mejora en otros aspectos, como una conductividad 10.000 veces mayor y un coeficiente de difusión de los átomos de litio 400 veces superior. Por otro lado, usando nanohilos se aseguran una gran superficie de contacto.
Mejor aun. Para el crecimiento de estos nanohilos han prescindido del precioso oro, utilizado normalmente como catalizador de este tipo de reacciones, y lo han sustituido por el más asequible estaño. El germanio se crece por deposición en vapor a 430ºC, una temperatura relativamente baja para este tipo de procesos.
Si has llegado leyendo hasta aquí te mereces un aliciente. Por ejemplo, 435 mAh/g de capacidad después de 80 ciclos. Eso si, ciclos a 100C (descargas en 36 segundos). La estructura de nanohilos de germanio presenta una gran estabilidad. Tras los primeros 100 ciclos la capacidad baja de 1.103 mAh/g a 896 mAh/g (a C/2). Durante este periodo inicial los nanohilos se reestructura interaccionando entre ellos y formando un entramado poroso que ofrece más estabilidad. A partir de esos 100 ciclos la capacidad del ánodo presenta una caída de tan solo el 0.01%, pudiendo superar los 1.000 ciclos con aun 888 mAh/g de capacidad y manteniendo una eficiencia coulombiana del 97%.
Resumiendo; 1.000 ciclos, más del doble de capacidad que el grafito y gran estabilidad frente a cargas rápidas. Los investigadores creen que el proceso es además fácilmente escalable y podrían emplearse los métodos tradicionales de fabricación de electrodos.
Uno de los principales problemas de esta tecnología puede ser la obtención del germanio, que a pesar de no ser un material escaso no se encuentran yacimientos de este, si no que es un subproducto de la minería de otros metales o del carbón. Difícilmente este material podrá alcanzar la producción actual de grafito, la cual es destinada en gran medida a la fabricación de baterías.
Fuentes | NanoLetters | GreenLion
