Mejores baterías eléctricas gracias a usar ciertos materiales desordenados

Se ha descubierto que, contrariamente a lo que se suponía, los cátodos hechos de compuestos desordenados o amorfos de litio pueden funcionar mejor que compuestos perfectamente ordenados o cristalinos.

Las baterías de litio, con su excepcional capacidad de almacenar energía, han sido centro de atención de iniciativas de investigación encaminadas a diseñar pilas de esa clase para su uso en todo tipo de aparatos, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta automóviles eléctricos.

Ahora, unos investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Upton, Nueva York, y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge, ambas entidades en Estados Unidos, han encontrado una nueva vía para esa clase de investigaciones: el uso de materiales amorfos, que por regla general habían sido considerados inadecuados para las pilas.

En una batería recargable, a base de iones de litio (átomos que han perdido un electrón), los mismos son retirados del cátodo de la batería durante el proceso de carga, y devueltos durante la descarga.

Pero estos ciclos de carga y descarga pueden provocar que el material de los electrodos se contraiga y se expanda, lo que con el tiempo produce grietas en los electrodos, con la consiguiente pérdida de rendimiento.

Material convencional para cátodos (arriba) y el nuevo material amorfo estudiado por investigadores del MIT (abajo), tal como se ven a través de un microscopio electrónico. Las imágenes en los recuadros muestran diagramas de las diferentes estructuras en estos materiales. En el material amorfo, las líneas azules muestran las vías que permiten que los iones de litio puedan atravesar el material.

En las baterías de litio de hoy en día, esos cátodos suelen estar hechos de un material cristalino, ordenado a veces en una estructura de capas. Cuando la estructura de un material es cristalina, sus átomos o moléculas están regularmente distribuidos en el espacio, ya sea formando cubos, hexágonos, etcétera. Cuando decae la regularidad de la estructura cristalina, generalmente también decae la eficiencia de la batería.

Por eso, los materiales amorfos, en su mayoría, han sido tradicionalmente descartados en los diseños de las baterías de litio.

Pero resulta que esta correlación está lejos de ser universal: El equipo de Jinhyuk Lee, Gerbrand Ceder, Alexander Urban, Xin Li, Geoffroy Hautier y Dong Su, valiéndose de simulaciones por ordenador y de experimentos de laboratorio, ha descubierto que cierto tipo de irregularidad o desorden puede mejorar significativamente el rendimiento de un cátodo. Y estos científicos ya han dado con un material de tales características, el cual, en palabras de Ceder, puede liberar y luego reabsorber los iones de litio como una especie de "esponja reversible".

El nuevo material, un compuesto de litio, oxígeno, cromo y molibdeno, tiene una muy alta estabilidad dimensional.

En muchos materiales para cátodo, los cambios dimensionales pueden alcanzar valores tan altos como de entre el 5 y el 10 por ciento. Como señalamos más arriba, esta alternancia de dilatación y contracción causa todo tipo de problemas, incluyendo la aparición de grietas, que acaban dejando inservible al cátodo.

Muy distinto es el caso del nuevo material: Los cambios dimensionales en él son de tan solo un 0,1 por ciento, una diferencia abismal a efectos prácticos.


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