Espuma de níquel. Un material barato que mejora las baterías de litio-aire

Investigadores de universidades en Singapore y China consiguen mejorar el rendimiento de los cátodos para baterías de litio-aire usando un material comercial barato; espuma de níquel. Gracias a un planteamiento sencillo y un proceso de un solo paso se puede mejorar tanto la capacidad como la vida útil de los electrodos.

Un paso necesario para que las baterías de litio-aire den el paso hacia su comercialización. Este tipo de baterías otorgarían a los vehículos eléctricos autonomías comparables a los vehículos de combustión. 

Las baterías de litio-aire son la tecnología más potente entre los candidatos a mejorar la autonomía de los vehículos eléctricos. Generan energía a partir del oxígeno atmosférico atrapado dentro de electrodos porosos, de modo que se reduce mucho el peso total de la batería y pueden equipararse a la gasolina en cuanto a energía especifica.

Los electrodos porosos de este tipo de baterías, que suelen estar basados ​​en el carbono, presentan aún muchos problemas prácticos, especialmente su corta vida útil. La principal causa de esa corta duración suele ser la formación de peróxido de litio en el cátodo. El peróxido de litio es un subproducto insoluble que se acumula en el electrodo y hace que la batería deje de funcionar después de unos pocos ciclos de carga.

En los intentos por mejorar el rendimiento de las baterías de litio-aire se han estudiado numerosos tipos de electrodos de carbon (carbón activado, aerogeles porosos y por supuesto el grafeno) los cuales requieren de un pegamento o aglutinante para mantener el material poroso en un bloque, lo cual reduce la porosidad y por lo tanto la difusión del oxigeno en el cátodo, es decir, se pierde rendimiento y con el tiempo puede acabar por desprenderse.

El equipo de Zhaolin Liu, desde instituto A*STAR de Investigación de Materiales e Ingeniería de Singapur, en colaboración con Aishui Yu y sus colaboradores de la Universidad de Fudan en China, han desarrollado un electrodo de nanotubos de carbono que puede aliviar los problemas de recarga de las baterías de litio-aire gracias a un soporte hecho de espuma de níquel.

Liu y sus compañeros de trabajo decidieron diseñar un electrodo libre de aglutinante usando espuma de níquel, una sustancia de bajo coste con una estructura porosa tridimensional que hace que sea tanto rígida como ligera. Para garantizar la compatibilidad de la espuma con las baterías de litio-aire el equipo creció nanotubos de carbono dopados con pequeñas cantidades de nitrógeno directamente en su superficie. Los electrodos de nanotubos de carbono dopados con nitrógeno ya han demostrado anteriormente poseer actividad catalítica, lo que aumenta la vida útil de la batería, por lo que esperaban mejorar su rendimiento usandolos con la espuma de níquel.

Los nanotubos se crecieron sobre la espuma de níquel mediante deposición química de vapor. Se decidió reducir la compactación de los nanotubos para mejorar la difusión del oxigeno y para permitir que en caso de formarse peróxido de litio este se pueda depositar sin limitar el rendimiento de la batería.

El resultado es que una batería de litio-aire usando nanotubos sobre espuma de níquel podría ofrecer el doble de la capacidad eléctrica que una con los electrodos de nanotubos de carbono dopado con nitrógeno pero sin la espuma, gracias a la gran porosidad de esta. Este nuevo tipo de electrodo ofrece una gran capacidad de hasta 1.814 mAh/g. Se consigue además en un proceso de un solo paso y el contacto eléctrico entre los nanotubos y la espuma de níquel es muy bueno mejorandose la recarga de la batería frente a otras soluciones que usan un aglutinante.

El artículo en Journal of Power Sources es «Binder-free nitrogen-doped carbon nanotubes electrodes for lithium-oxygen batteries» y presenta los resultados tan solo para la fabricación del cátodo. «El siguiente paso será probar estos electrodos en baterías de litio-aire«, dice Liu, por lo que aun queda mucho camino por delante para que lleguen a los vehículos eléctricos.

Fuente | «Journal of Power Sources«