Las nanobaterías son baterías fabricadas que emplean tecnología a nanoescala , partículas que miden menos de 100 nanómetros o 10-7 metros. [2] [3] Estas baterías pueden ser de tamaño nano o pueden utilizar nanotecnología en una batería a escala macro. Las baterías a nanoescala se pueden combinar para funcionar como una macrobatería, como dentro de una batería de nanoporos . [4]
La tecnología tradicional de baterías de iones de litio utiliza materiales activos, como el óxido de cobalto o el óxido de manganeso, con partículas que varían en tamaño entre 5 y 20 micrómetros (5000 y 20000 nanómetros, más de 100 veces la nanoescala). Se espera que la nanoingeniería mejore muchas de las deficiencias de la tecnología actual de baterías, como la expansión de volumen y la densidad de potencia. [5] [6] [7]
Fondo
Una batería convierte la energía química en energía eléctrica y se compone de tres partes generales:
- Ánodo (electrodo positivo)
- Cátodo (electrodo negativo)
- Electrólito
El ánodo y el cátodo tienen dos potenciales químicos diferentes, que dependen de las reacciones que ocurren en cada extremo. El electrolito puede ser sólido o líquido, refiriéndose a una celda seca o celda húmeda respectivamente y es iónicamente conductor. [7] El límite entre el electrodo y el electrolito se denomina interfase sólido-electrolito (SEI). Un voltaje aplicado a través de los electrodos hace que la energía química almacenada en la batería se convierta en energía eléctrica.
Limitaciones de la tecnología actual de baterías
La capacidad de una batería para almacenar carga depende de su densidad de energía y densidad de potencia . Es importante que la carga pueda permanecer almacenada y que se pueda almacenar una cantidad máxima de carga dentro de una batería. Los ciclos y la expansión de volumen también son consideraciones importantes. Si bien existen muchos otros tipos de baterías, la tecnología de baterías actual se basa en la tecnología de intercalación de iones de litio por su alta potencia y densidad de energía, ciclo de vida prolongado y sin efectos de memoria. Estas características han hecho que las baterías de iones de litio sean preferidas a otros tipos de baterías. [8] Para mejorar la tecnología de una batería, se debe maximizar la capacidad de ciclo y la energía y la densidad de potencia y se debe minimizar la expansión de volumen.
Durante la intercalación de litio, el volumen del electrodo se expande, provocando tensión mecánica. La tensión mecánica compromete la integridad estructural del electrodo, provocando que se agriete. [5] Las nanopartículas pueden disminuir la cantidad de tensión que se ejerce sobre un material cuando la batería experimenta un ciclo, ya que la expansión de volumen asociada con las nanopartículas es menor que la expansión de volumen asociada con las micropartículas. [5] [6] La pequeña expansión de volumen asociada con las nanopartículas también mejora la capacidad de reversibilidad de la batería: la capacidad de la batería para someterse a muchos ciclos sin perder carga. [6]
En la tecnología actual de baterías de iones de litio, las velocidades de difusión de litio son lentas. A través de la nanotecnología, se pueden lograr tasas de difusión más rápidas. Las nanopartículas requieren distancias más cortas para el transporte de electrones, lo que conduce a velocidades de difusión más rápidas y una conductividad más alta, lo que finalmente conduce a una mayor densidad de potencia. [5] [6]
Ventajas de la nanotecnología
El uso de la nanotecnología para la fabricación de baterías ofrece los siguientes beneficios: [9]
- Aumentar la energía disponible de una batería y disminuir el tiempo requerido para recargar una batería. Estos beneficios se logran al recubrir la superficie de un electrodo con nanopartículas, lo que aumenta el área de la superficie del electrodo, lo que permite que fluya más corriente entre el electrodo y los productos químicos dentro de la batería. [10]
- Los nanomateriales se pueden usar como recubrimiento para separar los electrodos de cualquier líquido en la batería, cuando la batería no está en uso. En la tecnología de batería actual, los líquidos y los sólidos interactúan, provocando una descarga de bajo nivel. Esto reduce la vida útil de una batería. [11]
Desventajas de la nanotecnología
La nanotecnología presenta sus propios desafíos en baterías:
- Las nanopartículas tienen baja densidad y alta superficie. Cuanto mayor sea el área de la superficie, es más probable que se produzcan reacciones en la superficie con el aire. Esto sirve para desestabilizar los materiales de la batería. [6] [5]
- Debido a la baja densidad de las nanopartículas, existe una mayor resistencia entre partículas, lo que disminuye la conductividad eléctrica del material. [12]
- Los nanomateriales pueden ser difíciles de fabricar, lo que aumenta su costo. Si bien los nanomateriales pueden mejorar en gran medida las capacidades de una batería, su fabricación puede resultar prohibitiva. [10]
Investigación activa y pasada
Se han realizado muchas investigaciones sobre las baterías de iones de litio para maximizar su potencial. Para aprovechar adecuadamente los recursos de energía limpia, como la energía solar , la energía eólica y la energía de las mareas , se requieren baterías capaces de almacenar cantidades masivas de energía utilizada en el almacenamiento de energía de la red . Se están investigando electrodos de fosfato de hierro y litio para posibles aplicaciones en el almacenamiento de energía en la red. [6]
Los vehículos eléctricos son otra tecnología que requiere baterías mejoradas. [13] Las baterías de vehículos eléctricos requieren en la actualidad tiempos de carga elevados, lo que prohíbe efectivamente el uso de automóviles eléctricos de larga distancia. [5]
Materiales de ánodos nanoestructurados
Grafito y SEI
El ánodo de las baterías de iones de litio casi siempre es de grafito . [8] Los ánodos de grafito necesitan mejorar su estabilidad térmica y crear una mayor capacidad de potencia. [14] El grafito y algunos otros electrolitos pueden sufrir reacciones que reducen el electrolito y crean un SEI, reduciendo efectivamente el potencial de la batería. Actualmente se están investigando nanocoatings en el SEI para evitar que ocurran estas reacciones. [8]
En las baterías de iones de litio, el SEI es necesario para la estabilidad térmica, pero dificulta el flujo de iones de litio del electrodo al electrolito. Park y col. han desarrollado un recubrimiento de polidopamina a nanoescala de modo que el SEI ya no interfiere con el electrodo; en cambio, el SEI interactúa con el recubrimiento de polidopamina. [14]
Grafeno y otros materiales de carbono
El grafeno se ha estudiado ampliamente para su uso en sistemas electroquímicos como baterías desde su primer aislamiento en 2004. [15] El grafeno ofrece una gran superficie y buena conductividad. [16] En la tecnología actual de baterías de iones de litio, las redes 2D de grafito inhiben la intercalación suave de iones de litio; los iones de litio deben viajar alrededor de las láminas de grafito 2D para alcanzar el electrolito. Esto ralentiza las tasas de carga de la batería. Actualmente se están estudiando materiales porosos de grafeno para mejorar este problema. El grafeno poroso implica la formación de defectos en la hoja 2D o la creación de una superestructura porosa basada en grafeno 3D. [15]
Como ánodo, el grafeno proporcionaría espacio para la expansión de modo que no se produzca el problema de la expansión del volumen. El grafeno 3D ha mostrado tasas de extracción de iones de litio extremadamente altas, lo que indica una alta capacidad reversible. [15] Además, la visualización aleatoria de "castillo de naipes" que se ve debajo del ánodo de grafeno permitiría que los iones de litio se almacenen no solo en la superficie interna del grafeno, sino también en los nanoporos que existen entre las capas individuales de grafeno. [17]
Raccichini y col. también describió los inconvenientes del grafeno y los compuestos basados en grafeno. El grafeno tiene un gran mecanismo irreversible durante el primer paso de litiación. Como el grafeno tiene una gran superficie, esto dará como resultado una gran capacidad de irreversibilidad inicial. Propuso que este inconveniente era tan grande que las células basadas en grafeno son "inviables". [17] Todavía se están realizando investigaciones sobre el grafeno en ánodos.
Los nanotubos de carbono se han utilizado como electrodos para baterías que utilizan intercalación, como las baterías de iones de litio, en un esfuerzo por mejorar la capacidad. [18]
Óxidos de titanio
Los óxidos de titanio son otro material de ánodo que se ha investigado por sus aplicaciones en vehículos eléctricos y almacenamiento de energía en la red. [6] Sin embargo, las bajas capacidades electrónicas e iónicas, así como el alto costo de los óxidos de titanio, han demostrado que este material es desfavorable para otros materiales de ánodos. [8]
Ánodos a base de silicio
Los ánodos a base de silicio también se han investigado por su mayor capacidad teórica que la del grafito. [8] [19] Los ánodos a base de silicio tienen altas velocidades de reacción con el electrolito, baja capacidad volumétrica y una expansión de volumen extremadamente grande durante el ciclo. [12] Sin embargo, se ha realizado un trabajo reciente para disminuir la expansión de volumen en ánodos basados en silicio. Al crear una esfera de carbono conductor alrededor del átomo de silicio, Liu et al. ha demostrado que este pequeño cambio estructural deja suficiente espacio para que el silicio se expanda y contraiga sin proporcionar tensión mecánica al electrodo. [12]
Materiales de cátodos nanoestructurados
Se han utilizado nanoestructuras de carbono para aumentar la capacidad de los electrodos, a saber, el cátodo. [6] [20] [21] En las baterías LiSO 2 , la nanoestructuración de carbono fue capaz de aumentar teóricamente la densidad de energía de la batería en un 70% a partir de la tecnología actual de baterías de iones de litio. [20] En general, se ha encontrado que las aleaciones de litio tienen una mayor densidad de energía teórica que los iones de litio. [5]
Tradicionalmente, LiCoO 2 se ha utilizado como cátodo en baterías de iones de litio. El primer cátodo alternativo exitoso para su uso en vehículos eléctricos ha sido LiFePO 4 . [8] LiFePO 4 ha mostrado una mayor densidad de potencia, una vida útil más larga y una seguridad mejorada sobre LiCoO 2 . [8]
Grafeno
El grafeno podría usarse para mejorar la conductividad eléctrica de los materiales del cátodo. LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 y LiFePO 4 son materiales de cátodo de uso común en baterías de iones de litio. Estos materiales de cátodo se han mezclado típicamente con otros materiales compuestos de carbono para mejorar su capacidad de velocidad. Como el grafeno tiene una conductividad eléctrica más alta que estos otros materiales compuestos de carbono, como el negro de carbón, el grafeno tiene una mayor capacidad para mejorar estos materiales de cátodo más que otros aditivos compuestos de carbono. [17]
Piao y col. ha estudiado específicamente el grafeno poroso en relación con el grafeno solo. El grafeno poroso combinado con LiFePO 4 fue ventajoso sobre solo el grafeno combinado con LiFePO 4 , para mejorar la estabilidad del ciclo. [15] El grafeno poroso creó buenos canales de poros para la difusión de iones de litio y evitó la acumulación de partículas de LiFePO 4 . [15]
Raccichini y col. sugirió compuestos a base de grafeno como cátodos en baterías de iones de sodio . Los iones de sodio son demasiado grandes para caber en la típica red de grafito, por lo que el grafeno permitiría que los iones de sodio se intercalaran. También se ha sugerido que el grafeno solucione algunos de los problemas relacionados con las baterías de litio y azufre . Los problemas asociados con las baterías de azufre de litio incluyen la disolución del intermedio en el electrolito, la expansión de gran volumen y la mala conductividad eléctrica. [17] Se ha mezclado grafeno con azufre en el cátodo en un intento por mejorar la capacidad, estabilidad y conductividad de estas baterías. [17]
Electrodos de conversión
Los electrodos de conversión son electrodos donde se rompen y reforman los enlaces iónicos químicos. También se produce una transformación de la estructura cristalina de las moléculas. [22] En los electrodos de conversión, se pueden acomodar tres iones de litio por cada ión metálico, mientras que la tecnología de intercalación actual solo puede acomodar un ión de litio por cada ión metálico. [6] Las proporciones mayores de iones de litio a metal indican una mayor capacidad de la batería. Una desventaja de los electrodos de conversión es su histéresis de gran voltaje . [22]
Cartografía
Balke y col. tiene como objetivo comprender el mecanismo de intercalación de las baterías de iones de litio a nanoescala. [23] Este mecanismo se entiende a microescala, pero el comportamiento de la materia cambia según el tamaño del material. Zhu y col. también están mapeando la intercalación de iones de litio a nanoescala utilizando microscopía de sonda de barrido . [24]
Se han calculado modelos matemáticos para la intercalación de baterías de litio y aún se están investigando. [25] [26] Whittingham sugirió que no existe un mecanismo único por el cual los iones de litio se muevan a través del electrolito de la batería. El movimiento dependía de una variedad de factores que incluían, entre otros, el tamaño de partícula, el estado termodinámico o el estado metaestable de la batería y si la reacción funcionaba de forma continua. [25] Sus datos experimentales para LiFePO 4 - FePO 4 sugirieron el movimiento de iones de litio en una trayectoria curva en lugar de un salto lineal recto dentro del electrolito. [25]
También se han estudiado los mecanismos de intercalación para los cationes polivalentes. Lee y col. ha estudiado y determinado el mecanismo de intercalación adecuado para baterías de zinc recargables. [27]
Electrónica estirable
También se han realizado investigaciones para utilizar resortes de fibra de nanotubos de carbono como electrodos. [28] LiMn 2 O 4 y Li 4 Ti 5 O 12 son las nanopartículas que se han utilizado como cátodo y ánodo respectivamente, y han demostrado la capacidad de estirar el 300% de su longitud original. Las aplicaciones de la electrónica extensible incluyen dispositivos de almacenamiento de energía y células solares. [28]
Baterías imprimibles
Investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles han desarrollado con éxito una "tinta de nanotubos" para fabricar baterías flexibles utilizando técnicas de electrónica impresa . [18] Se ha utilizado una red de nanotubos de carbono como una forma de nanocables conductores electrónicos en el cátodo de una batería de zinc-carbono . Con tinta de nanotubos, el tubo de cátodo de carbono y los componentes del electrolito de óxido de manganeso de la batería de zinc-carbono se pueden imprimir como diferentes capas en una superficie, sobre la cual se puede imprimir una capa de ánodo de lámina de zinc. Esta tecnología reemplaza los colectores de carga como láminas o películas de metal con una matriz aleatoria de nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono añaden conductancia. [18] Se pueden fabricar baterías delgadas y flexibles de menos de un milímetro de grosor.
Aunque las corrientes de descarga de las baterías están actualmente por debajo del nivel de uso práctico, los nanotubos en la tinta permiten que la carga se realice de manera más eficiente que en una batería convencional, de modo que la tecnología de nanotubos podría conducir a mejoras en el rendimiento de la batería. [29] Una tecnología como esta es aplicable a las células solares , supercondensadores , diodos emisores de luz y etiquetas de identificación por radiofrecuencia inteligente (RFID).
Empresas de investigación
Toshiba
Mediante el uso de nanomateriales, Toshiba ha aumentado el área de superficie del litio y ha ampliado el cuello de botella, permitiendo que las partículas pasen a través del líquido y recarguen la batería más rápidamente. Toshiba afirma que probó una batería nueva descargándola y recargándola por completo mil veces a 77 ºC y descubrió que solo perdió el uno por ciento de su capacidad, una indicación de una batería de larga duración. ° C La batería de Toshiba tiene 3,8 mm de grosor, 62 mm de alto y 35 mm de profundidad.
A123Sistemas
A123Systems también ha desarrollado una nano batería de iones de litio comercial. A123 Systems afirma que su batería tiene el intervalo de temperaturas más ancho en -30 .. 70 ° C . Al igual que la nanobatería de Toshiba, las baterías de iones de litio A123 se cargan a "alta capacidad" en cinco minutos. La seguridad es una característica clave promocionada por la tecnología A123, con un video en su sitio web de una prueba de clavo, en el que un clavo se clava a través de una batería de iones de litio tradicional y una batería de iones de litio A123, donde la batería tradicional se enciende. y burbujas en un extremo, la batería A123 simplemente emite una voluta de humo en el sitio de penetración. La conductividad térmica es otro punto de venta para la batería A123, con la afirmación de que la batería A123 ofrece una conductividad térmica 4 veces mayor que las celdas cilíndricas de iones de litio convencionales. La nanotecnología que emplean es una tecnología de nanofosfato patentada.
Valencia
También en el mercado se encuentra Valence Technology , Inc. La tecnología que comercializan es Saphion Li-Ion Technology. Al igual que el A123, utilizan una tecnología de nanofosfato y materiales activos diferentes a los de las baterías de iones de litio tradicionales.
Altair
AltairNano también ha desarrollado una nanobatería con una recarga de un minuto. El avance que Altair afirma haber hecho es en la optimización del óxido de espinela de titanato de litio nanoestructurado (LTO).
Fotónica de EE. UU.
US Photonics está en el proceso de desarrollar una nanobatería que utiliza nanomateriales " respetuosos con el medio ambiente " tanto para el ánodo como para el cátodo, así como matrices de contenedores de células nanométricas individuales para el electrolito de polímero sólido. US Photonics ha recibido una subvención SBIR fase I de la National Science Foundation para el desarrollo de tecnología de nanobaterías.
Sony
Produjo la primera batería de iones de litio a base de cobalto en 1991. Desde el inicio de esta primera batería de iones de litio, la investigación de las nanobaterías ha estado en marcha con Sony continuando sus avances en el campo de las nanobaterías.
Ver también
- Supercondensador
- Nanoelectrónica
- Nanotecnología
- Lista de tipos de baterías
Referencias
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