Crean baterías que se cargan rápidamente, gracias a una nanoestructura 3D

Científicos de la Universidad de Illinois, en Estados Unidos, han desarrollado una nanoestructura tridimensional (el nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una milmillonésima parte de un metro ) para baterías, que permite que éstas se carguen muy rápidamente, en sólo cuestión de minutos.

Además de este aumento en la velocidad de carga, las baterías ganan con esta nanoestructura una capacidad mayor de almacenamiento de energía, explican los investigadores.

Ambas características son esenciales para el funcionamiento óptimo de diversos aparatos, como los vehículos eléctricos, algunos dispositivos médicos o militares, y para la tecnología láser.


Aunar batería y condensador

En un comunicado de la Universidad de Illinois, el principal desarrollador de la tecnología, el profesor de ciencias de los materiales e ingeniería, Paul Braun, explica que este sistema permitirá crear baterías con la misma potencia que los condensadores, pero con una gran capacidad de almacenamiento energético.

Los condensadores contienen electrodos que forman campos eléctricos cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de ellos. Aunque este campo eléctrico puede almacenar energía para ser liberada posteriormente, la capacidad de almacenamiento energético de los condensadores es escasa.

Sin embargo, dada las ventajas que presentan los condensadores frente a las baterías (además de ser capaces de recibir y suministrar energía rápidamente, son más baratos que las baterías, no contienen elementos tóxicos o inflamables y presentan una vida útil mucho más duradera) los científicos llevan tiempo intentando desarrollar condensadores con una mayor capacidad de almacenamiento energético, algo que podría conseguirse gracias a la nanotecnología.

Según Braun: “La mayoría de los condensadores almacenan muy poca energía. La pueden liberar rápidamente, pero no guardar mucha. Por su parte, la mayoría de las baterías almacenan una cantidad de energía razonablemente abundante, pero no pueden proporcionarla ni recibirla rápidamente”. Gracias a la nanoestructura tridimensional creada, un sistema que incluya ambas capacidades ya es posible.

Una fina película tridimensional

El rendimiento de las baterías recargables típicas (de ión de litio o de níquel) se degrada significativamente cuando éstas son cargadas o descargadas con rapidez.

Por otro lado, si se convierte el material activo de los electrodos de la batería en una fina película, se consigue que la batería cargue y descargue rápidamente, pero se reduce su capacidad hasta casi anularla, porque el material activo carece del volumen necesario para almacenar energía.

Lo que Braun y sus colaboradores han hecho es convertir esa fina película de material activo en una estructura tridimensional. De esta forma, han conseguido una gran capacidad de almacenamiento energético dentro de ella, así como un caudal energético importante.

Los científicos han demostrado que, con este sistema, los electrodos de la batería se pueden cargar y descargar en tan sólo unos segundos (entre 10 y 100 veces más rápido de lo normal), y aún así funcionar normalmente, en aparatos ya existentes.

El proceso seguido para crear la estructura 3D se utiliza también a gran escala en la industria, por lo que esta técnica podría llevarse a cualquier nivel de fabricación. Dicho proceso consistió, en primer lugar, en recubrir una superficie con esferas minúsculas, que fueron empaquetadas todas juntas, muy apretadas unas con otras, para formar un entramado.

Después, los investigadores rellenaron los espacios entre las esferas y alrededor de éstas con metal. Las esferas, entonces, se disolvieron o derritieron, dando lugar a un entramado metálico y poroso en 3D, similar al de una esponja.

Posteriormente, gracias a un proceso denominado electropulimento, los científicos trataron uniformemente la superficie del entramado para aumentar sus poros y generar un armazón abierto. Por último, este armazón fue cubierto con una fina película de material activo.

Posibles aplicaciones

El resultado obtenido fue una estructura bicontinua, con pequeñas interconexiones que permiten que los iones de litio se muevan rápidamente (el material activo es una película fina, lo que hace que la difusión cinética sea rápida), pero también un entramado metálico con buena conductividad eléctrica.

Braun y su equipo han demostrado que dicha nanoestructura sirve tanto con baterías de ión de litio como con baterías de níquel, y afirman que puede usarse con cualquier material de batería que pueda depositarse en el entramado, es decir, que el sistema no está vinculado con un tipo específico de batería, sino que es un nuevo paradigma tridimensional destinado a mejorar cualquier tipo de batería existente.

El sistema podría propiciar la creación de teléfonos u ordenadores portátiles que se carguen en sólo unos minutos. También serviría para dispositivos láser de alta potencia o desfibriladores (aparatos que aplican descargas eléctricas para restablecer el ritmo cardiaco normal), de manera que éstos no necesiten tiempo de recarga antes o entre cada descarga o pulso, en el caso del láser.

Braun se muestra especialmente optimista en las aplicaciones del sistema en vehículos eléctricos. La duración y el tiempo de recarga de las baterías son importantes limitaciones para este tipo de vehículos que no resultan prácticos para viajes largos, debido a que su batería sólo aguanta unos 160 kilómetros y, además, requiere una hora de recarga.

“Si se puede recargar la batería rápidamente, se pueden tener vehículos eléctricos que tarden en cargarse lo mismo que se tarda en poner gasolina”, afirma el científico. Los investigadores han detallado los aspectos de su invento en un artículo publicado por Nature Nanotechnology.