2 en 1. La sustancia pegajosa que potencia las baterías de ion litio

Un nuevo material adhesivo y conductor basado en nanotubos de carbono podría eliminar la necesidad de aglutinantes y de adhesivos en los electrodos de las baterías de ion-litio, simplificando el proceso de fabricación. Los resultados prometen además mejorar el rendimiento de las actuales baterías de ion litio que se emplean en los vehículos eléctricos, mejorando la capacidad de almacenamiento de energía y reduciendo pesos.

El material es una sustancia «pegajosa» formada por nanotubos de carbono fragmentados que forman una red con estupendas propiedades mecánicas, actuando al mismo tiempo como aditivo conductor y como aglutinante y sin usar disolventes ni procesos complicados.

Además del material activo de los electrodos (el ánodo y el cátodo), el electrolito y la membrana, en las pilas electroquímicas hay otros componentes que, aunque en presentes en menores proporciones, tienen una gran influencia en el rendimiento del conjunto. Aditivos conductores, aglutinantes y adhesivos son también constantemente modificados para mejorar el rendimiento y la fiabilidad de las baterías.

En la batería los aditivos mejoran la conductividad o la estabilidad de los componentes de los electrodos. Por su parte el aglutinante se encarga de mantener el contacto el material activo del ánodo (o del cátodo) y los aditivos, además de favorecer el contacto entre las diferentes partes de la batería. Todos ellos son necesarios aunque no contribuyan al almacenamiento de energía en la batería.

El problema con la tecnología actual es que los aglutinantes afectan al rendimiento electroquímico de la pila debido a sus propiedades aislantes. Contribuyen al peso total de la batería disminuyendo la densidad especifica del acumulador y son además un punto débil en el conjunto, ya que pueden presentar defectos con los cambios de temperatura. Otro factor en su contra es que los disolventes orgánicos utilizados para mezclar los aglutinantes y los materiales conductores son tóxicos y su uso y procesado es un gasto añadido al producto final.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Delaware ha descubierto un material conductor que lo describen como «pegajoso» y que puede eliminar la necesidad de aglutinantes en electrodos de baterías de ion-litio. Así, el profesor de ingeniería mecánica Bingqing Wei y el estudiante de doctorado Zeyuan Cao, descubrieron recientemente que laminas de nanotubos de carbono fragmentados (FCNT) pueden tener una doble función; servir como conductores, algo que ya se sabia, pero también como aglutinante.

Los resultados se presentan en la revista ACS Nano, “Fragmented Carbon Nanotube Macrofilms as Adhesive Conductors for Lithium-Ion Batteries” y ya han presentado una solicitud de patente para el descubrimiento. Según explica Bingqing Wei los nanotubos de carbono fraccionados forman unas redes con «tentáculos» que llevan adherido el material activo del cátodo a base de litio o el material del ánodo. Para unirlas solo se necesita juntarlas y aplicar ultrasonidos, sin emplear disolventes orgánicos.

El resultado tiene una alta conductividad eléctrica y muestra una unión firme, dándose así las dos propiedades anteriormente mencionadas en un solo material, cumpliendo la misión de los aditivos conductores y de los materiales aglutinantes usados en las baterías de iones de litio. Además los electrodos conseguidos exhiben capacidades altas y una retención superior a los electrodos que utilizan un aglutinante convencional (típicamente PVDF) y un aditivo conductor (negro de carbón).

La fuerza de adhesión usando los nanotubos fraccionados, medida con métodos tribológicos, es mayor que la del PVDF y puede ser usado en ambos electrodos, cátodo y ánodo. Añadido a una excelente conducción eléctrica se presenta como un serio sustituto de los aglutinantes y como una solución más sostenible al eliminar el uso de disolventes orgánicos en la fabricación de electrodos.

Fuente | “ACS Nano”