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Avance en nanopartículas podría ofrecer baterías de carga rápida

Los investigadores han adquirido nuevos conocimientos sobre la química de las baterías de litio.

[19/11/2015] Investigadores de la Universidad de Vanderbilt han adquirido nuevos conocimientos sobre el funcionamiento a nanoescala de las baterías de ion de litio, un descubrimiento que podría acelerar el desarrollo de baterías que puedan ser recargadas en cuestión de segundos.

El equipo de científicos pasó los últimos siete meses investigando las baterías que contienen puntos cuánticos hechos de pirita de hierro, también conocido como "oro de los tontos.

Los puntos cuánticos son partículas de apenas algunas decenas de átomos de ancho, y los investigadores ya saben que su uso en baterías permite que éstas se carguen muy rápido. Pero también pueden significar una sentencia de muerte para la batería.

"Cuando las partículas son muy pequeñas, empiezan a reaccionar químicamente con los electrolitos, por lo que la batería solo puede cargarse y descargarse unas cuantas veces, señaló Cary Pint, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Vanderbilt.

Sin embargo, el equipo descubrió que, al utilizar los puntos cuánticos de pirita de hierro, la batería almacena la energía de una manera fundamentalmente diferente, y la misma reacción química no se produce. El trabajo fue dirigido por la graduada Anna Douglas.

En una batería de iones de litio convencional, los iones de litio entran en un material de almacenamiento durante la carga y salen de éste durante la descarga. Cuando los iones de litio de la batería entran en la batería prototipo ellos reaccionan con las moléculas de pirita de hierro -que están compuestas por un átomo de hierro y dos de azufre- para formar sulfuro de litio, y el átomo de hierro sale. Al momento de la descarga, lo contrario sucede y la pirita de hierro se reforma.

"Se invierte una y otra vez, agregó Pint. "En este caso, ese método de almacenamiento le da más capacidad y más reservas de energía. Es un modo mucho más emocionante de almacenamiento de energía, pero se tiene que tener un tamaño de partícula tal que el hierro pueda salir del material.

Así es el uso de los puntos cuánticos. Aquellos que se utilizan son tan pequeños -alrededor de 4,5 nanómetros de diámetro- que cada batería experimental contenía alrededor de 50 millones de ellos.

"Lo que encontramos es que cuando uno toma estas nanopartículas, no está limitado al mecanismo de 'muerte'. Es realmente un punto óptimo para la integración de las pequeñas nanopartículas que se pueden cargar muy rápido, añadió.

Si bien no dará lugar a un nuevo tipo de batería de un día para el otro, Pint dijo que el aspecto más interesante de la investigación es el conocimiento que proporciona sobre la forma en que funcionan las baterías a nanoescala.

"Esto nos da un conjunto de reglas de diseño para una familia de materiales que pasan por estos cambios, añadió. "Podemos aplicar las reglas a toda la clase de materiales y diseñar sistemas de nanoestructuras que se basan en estas reglas. Hasta ahora, no teníamos una comprensión incluso de las reglas básicas.

El trabajo se mostrará en la edición del 11 de noviembre de la revista ACS Nano.