Una nueva investigación publicada en Applied Physics Reviews afirma ofrecer una solución al problema de que las baterías de iones de litio no son capaces de proporcionar una alta potencia de salida mientras que al mismo tiempo permiten el almacenamiento de energía reversible.
La solución presentada por los científicos de la Universidad de Texas en Austin, la Universidad Stony Brook y el Laboratorio Nacional de Brookhaven muestra cómo la inclusión de rellenos conductores de carbono mejora el rendimiento de las baterías.
En su trabajo, los investigadores explican que el diseño óptimo de la batería implica estructuras de electrodos gruesos para aumentar la densidad de energía. Sin embargo, tal diseño sufre de un pobre transporte de iones de litio, un paso clave en el funcionamiento de estos electrodos. Se han probado varias técnicas de mejora, como la construcción de canales alineados verticalmente o la creación de poros del tamaño adecuado para facilitar el transporte de los iones de litio.
Otro enfoque -dicen- implica el uso de rellenos hechos de carbono que conducen la electricidad. Así, su estudio consideró tres tipos de rellenos: nanotubos de carbono de pared simple (single-walled carbon nanotubes SWCNT), nanoplacas de grafeno y una sustancia conocida como Super P, un tipo de partículas de negro de carbón producidas durante la oxidación de los precursores del petróleo. Super P es el relleno conductor más utilizado en las baterías de iones de litio.
En sus experimentos, los rellenos se añadieron a un tipo de material de electrodos conocido como NCM que contiene níquel, cobalto y manganeso. Los investigadores examinaron los compuestos resultantes con microscopía electrónica de barrido. Se descubrió que las partículas Super P y NCM estaban dispuestas en un modo de contacto punto a punto.
Sin embargo, los SWCNT se envolvieron alrededor de las partículas NCM, formando una capa conductora. Además, se observaron redes de SWCNT interconectadas en los espacios entre las partículas NCM. Las nano láminas de grafeno también se envolvieron alrededor de las partículas de electrodos NCM, pero no de forma tan uniforme como los SWCNT.
Se descubrió que los SWCNT eran el mejor relleno conductivo para los electrodos NCM.
Según los expertos, la conductividad medida es coherente con la teoría de la percolación y, dado que la percolación requiere un camino completo a través del relleno, se necesita una cantidad suficiente de relleno conductivo. Por lo tanto, el equipo consideró varias cantidades de relleno y encontró que la combinación de electrodos de NCM con tan sólo un 0,16% en peso de SWCNT producía una buena conductividad eléctrica. Se necesitaron mayores cantidades de Super P y grafeno para lograr estos mismos resultados.
Unveiling the dimensionality effect of conductive fillers in thick battery electrodes for high-energy storage systems