Un equipo de científicos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) ha desarrollado un método de fabricación de ánodos que podría dar lugar a baterías de iones de litio (LIB) de carga extremadamente rápida.
En un artículo publicado en la revista Chemical Communications, los investigadores explican que su estrategia constituye una forma relativamente sencilla, respetuosa con el medio ambiente y eficiente de producir un ánodo de carbono con un contenido muy elevado de nitrógeno.
Ya se sabe que una forma de acortar el tiempo de carga de las baterías de litio es aumentar la velocidad de difusión de los iones de litio, lo que a su vez puede hacerse aumentando la distancia entre capas en los materiales a base de carbono utilizados en el ánodo de la batería. Esto se ha conseguido con cierto éxito introduciendo impurezas de nitrógeno, lo que técnicamente se denomina dopaje de nitrógeno. Sin embargo, no existe ningún método fácil de controlar la distancia entre capas ni de concentrar el elemento dopante.
Para resolver este problema, el grupo japonés utilizó poli (benzimidazol), un polímero de base biológica que puede sintetizarse a partir de materias primas de origen biológico como material precursor del ánodo.
Calcinando este material térmicamente estable a 800°C, el equipo consiguió preparar un ánodo de carbono con un contenido de nitrógeno del 17% en peso, lo que supone un récord. Comprobaron el éxito de la síntesis de este material y estudiaron su composición y propiedades estructurales mediante diversas técnicas, como la microscopía de túnel electrónico de barrido, la espectroscopia Raman y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.
Para comprobar el rendimiento de su ánodo y compararlo con el ánodo de grafito más común, los investigadores construyeron medias celdas y celdas completas y realizaron experimentos de carga y descarga. El material del ánodo propuesto resultó adecuado para la carga rápida, gracias a su mejor cinética de iones de litio.
Además, las pruebas de durabilidad mostraron que las baterías con el material anódico propuesto conservaban alrededor del 90% de su capacidad inicial incluso después de 3.000 ciclos de carga y descarga a altas velocidades, lo que es considerablemente más que la capacidad retenida por las células basadas en grafito.
En opinión de los investigadores, las modificaciones de la estructura del precursor polimérico podrían conducir a un rendimiento aún mayor, lo que podría ser relevante para las baterías no sólo de los vehículos eléctricos, sino también de la electrónica portátil.
“La velocidad de carga extremadamente rápida con el material del ánodo que hemos preparado podría hacer que fuera adecuado para su uso en vehículos eléctricos”, dijo el jefe del equipo, Noriyoshi Matsumi, en un comunicado de prensa. “Es de esperar que unos tiempos de carga mucho más cortos atraigan a los consumidores a elegir los VE en lugar de los vehículos de gasolina, lo que en última instancia conducirá a un entorno más limpio en todas las grandes ciudades del mundo”.
Según Matsumi, otra ventaja notable del material anódico propuesto es el uso de un polímero de origen biológico en su síntesis. Al tratarse de una tecnología de bajas emisiones de carbono, el material produce naturalmente un efecto sinérgico que reduce aún más las emisiones de CO2.
