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Nanomallas al rescate de las baterías de litio

Si uno mira a su alrededor o mete la mano en el bolsillo, encontrará que el teléfono celular, la tableta, la computadora y cualquier otro dispositivo electrónico y en general las comunicaciones y el transporte, dependen de una pequeña herramienta incorporada a los aparatos y sin la cual muchas de las ventajas de la vida moderna serían imposibles: desde un simple reloj, hasta un marcapasos o un medidor de glucosa.

Aún más, el sueño de un planeta menos contaminado, donde los autos eléctricos sean una realidad y la iluminación de una ciudad no se base en la generación eléctrica producto de combustibles fósiles, depende fundamentalmente de tal herramienta. En un contexto más personal y esencial, si usted viaja frecuentemente por avión, su vida depende del buen funcionamiento de eso.

Me refiero a las baterías y estoy casi seguro que usted conoce los orígenes de ellas.

Era 1780 y el médico y físico italiano Luigi Galvani se encontraba en su laboratorio preparando la disección de una rana, la cual había sujetado con unos ganchos de latón para poder maniobrarla fácilmente. Cuando todo estuvo listo, Galvani acercó el escalpelo al batracio y tocó un nervio de una de sus ancas. Al instante, la pata de la rana chistó con una contracción rápida, ante el asombro del italiano. Galvani realizó más experimentos y creyó que aquel efecto se debía a un tipo de “electricidad animal” alojada en los músculos de los seres vivos.

Al poco tiempo, su compatriota y colega Alessandro Volta, se enteró de los resultados de Galvani, reprodujo los experimentos y reconoció que la correcta explicación del movimiento de los músculos se debía a la presencia y transmisión de una corriente eléctrica no necesariamente intrínseca a los animales. Volta descubrió que juntando dos tipos diferentes de metal, separados por una sustancia intermediaria generaban un flujo de electricidad estable y continuo. Después de una extensa experimentación, Volta hizo públicas sus investigaciones en 1800 y presentó la “pila voltaica”: un conjunto de discos de zinc y plata alternados por paños y cartones humedecidos en salmuera, formando una columna o pila (de ahí el nombre común de las baterías).

La noticia de la pila de Volta se disemino rápidamente y pronto comenzó a usarse como parte central de otros experimentos: la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno se dio en ese mismo 1800, el descubrimiento de nuevos elementos químicos mediante separación de compuestos por electrólisis se produjo durante todo el siglo XIX, el desarrollo de técnicas metalúrgicas para obtener aluminio y sosa cáustica llegó en 1890, entre otros.

Desde entonces, el modelo original de Volta se ha mejorado sustancialmente, haciendo baterías más pequeñas y generando electricidad durante más tiempo. Sin embargo, al día de hoy, conservan el mismo diseño: dos terminales o electrodos (uno positivo y otro negativo) y una sustancia llamada electrolito que los separa y permite a la carga eléctrica fluir libremente entre ellos. En la terminal negativa o ánodo se llevan acabo reacciones químicas de oxidación que producen electrones libres, los cuales viajan por el electrolito hasta llegar a la terminal positiva o cátodo, donde son absorbidos, dando lugar a reacciones de reducción. El producto neto del flujo de electrones es la electricidad y la batería puede seguir generándola mientras haya las sustancias químicas necesarias en las terminales y el electrolito. Se dice que una batería es recargable si pueden producirse las reacciones químicas inversas, aunque el numero de recargas es finito y la eficiencia de la pila baja con el uso.

Actualmente, las baterías recargables más comunes y durables son las llamadas de lithium-ion (LiOn) o de iones de litio, donde el litio se encuentra en el electrolito, el cátodo es de óxidos de cobalto y níquel y el ánodo de carbono o silicio.

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Sin embargo, en diversos institutos y universidades actualmente hay una carrera por diseñar y construir baterías recargables mas pequeñas, económicas y eficientes. Para las industrias automotriz y aeroespacial, el desarrollo de mejores baterías de iones de litio es poco más que fundamental. Aunque los avances pueden darse tanto en mejorar los electrolitos como los electrodos, uno de los grandes retos consiste en utilizar ánodos hechos sólo de litio, lo que dispararía el rendimiento de las baterías. Sin embargo, los ánodos de litio tienden a expandirse y formar pequenísimos hilos a su alrededor cuando la batería se recarga, además de provocar fisuras en la superficie. Las fisuras y la expansión del ánodo pueden romper la carcasa de la batería y generar la fuga del electrolito, aumentando el riesgo de un corto circuito y una menor vida útil. Por si esto fuera poco, cuando el ánodo y el electrolito entran en contacto generan calor, pudiendo llegar a sobrecalentarse incluso al punto de estallar o incendiarse. Probablemente usted recuerda un asunto de estos con los aviones Boing Dreamliner y los casos de algunas baterías de computadoras portátiles.

Afortunadamente no todo está perdido. Recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad de Stanford desarrollaron una capa protectora de carbono que podría alargar la vida de las baterías de ion de litio, además de hacerlas más seguras. El equipo de científicos desarrolló una envoltura (algo como un panal) de nanoesferas de carbono para cubrir el ánodo de litio y prevenir que se expanda. Sólo como comparación, la pared de nanoesferas tiene unos 20 nanometros de grueso, esto es, serían necesarias 5,000 capas, una sobre la otra, para igualar el diámetro de un cabello humano. El material de la nano-malla ha demostrado ser muy estable y resistente ante las reacciones electroquímicas; el trabajo encabezando por Yi Cui y co-dirigido por el ganador del Nobel y anterior Secretario de Energía de E.U. Steven Chu, fue publicado en días pasados en la revista especializada Nature Nanotechnology.

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Hasta ahora, diversos trabajos científicos habían reportado una eficiencia de 96% en baterías con ánodo de litio, aunque bajaba a 50% después de unos 100 ciclos de recarga. El nuevo ánodo de Stanford llega a 99% de eficiencia hasta los 150 ciclos. Según los investigadores, la capacidad de sus baterías incrementaría 3 veces la vida útil de las usadas actualmente en dispositivos móviles y computadoras personales. Aún más, dado que los cambio internos son mínimos, las nuevas baterías pueden adaptarse perfectamente a los aparatos existentes, aunque según Yi Cui, la comercialización podría llevar algunos años. En cualquier caso, los resultados del ánodo de litio pueden considerarse como de los más importantes en las ultimas décadas y darán paso a la nueva generación de baterías.

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1 Trackback / Pingback

  1. Anemia de litio | Vicente Hdez

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