Se ha resuelto el misterio del almacenamiento de las baterías de iones de litio

Durante años, los investigadores se han propuesto aprender más sobre un grupo de óxidos metálicos que se muestran prometedores como materiales clave para la próxima generación de baterías de iones de litio debido a su misteriosa capacidad de almacenar significativamente más energía de la que debería ser posible.

Un equipo internacional de investigación, codirigido por la Universidad de Texas en Austin, ha descifrado el código de esta anomalía científica, derribando una barrera para construir sistemas de almacenamiento de energía con baterías ultrarrápidas.

El equipo descubrió que estos óxidos metálicos poseen formas únicas de almacenar energía más allá de los mecanismos clásicos de almacenamiento electroquímico. La investigación, publicada en la revista Nature Materials, encontró varios tipos de compuestos metálicos con una capacidad de almacenamiento de energía hasta tres veces superior a la de los materiales comunes en las baterías de iones de litio disponibles hoy en día en el mercado.

Al descifrar este misterio, los investigadores están ayudando a desbloquear la disponibilidad de baterías con mayor capacidad de energía. Esto podría significar baterías más pequeñas y potentes capaces de suministrar rápidamente cargas para todo, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos.

"Durante casi dos décadas, la comunidad de investigadores se ha mostrado perpleja por las capacidades anormalmente altas de estos materiales, más allá de sus límites teóricos", dijo Guihua Yu, profesor asociado del Departamento Walker de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingeniería Cockrell y uno de los líderes del proyecto. "Este trabajo demuestra la primera evidencia experimental que muestra que la carga extra se almacena físicamente dentro de estos materiales a través de un mecanismo de almacenamiento de carga espacial".

Sistema de prueba de baterías en el laboratorio del Dr. Yu para desarrollar materiales de electrodos avanzados. (Foto: The University of Texas at Austin)

Para demostrar este fenómeno, el equipo encontró una manera de monitorear y medir cómo los elementos cambian con el tiempo. Participaron en el proyecto investigadores de la UT, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de Waterloo en Canadá, la Universidad de Shandong de China, la Universidad de Qingdao en China y la Academia China de Ciencias.

En el centro del descubrimiento se encuentran los óxidos de metales de transición, que son compuestos que incluyen oxígeno enlazado con metales de transición como el hierro, el níquel y el zinc. La energía puede ser almacenada dentro de los óxidos metálicos, a diferencia de los métodos típicos que ven a los iones de litio entrar y salir de estos materiales o convertir sus estructuras cristalinas para el almacenamiento de energía. Los investigadores muestran también que la capacidad de carga adicional también puede almacenarse en la superficie de las nanopartículas de hierro formadas durante una serie de procesos electroquímicos convencionales.

Una amplia gama de metales de transición pueden liberar esta capacidad extra, según la investigación, y comparten un hilo conductor: la capacidad de recoger una alta densidad de electrones. Estos materiales aún no están listos para su uso masivo, dijo Yu, principalmente debido a la falta de conocimiento sobre ellos. Pero los investigadores dijeron que estos nuevos hallazgos deberían contribuir en gran medida a arrojar luz sobre el potencial de estos materiales.

La técnica clave empleada en este estudio, llamada magnetometría in situ, es un método de monitoreo magnético en tiempo real para investigar la evolución de la estructura electrónica interna de un material. Es capaz de cuantificar la capacidad de carga midiendo las variaciones del magnetismo. Esta técnica puede utilizarse para estudiar el almacenamiento de la carga a una escala muy pequeña que está más allá de las capacidades de muchas herramientas de caracterización convencionales.

"Los resultados más significativos se obtuvieron a partir de una técnica comúnmente utilizada por los físicos pero muy raramente en la comunidad de las baterías", dijo Yu. "Esta es una muestra perfecta de un hermoso matrimonio entre la física y la electroquímica". (Fuente: NCYT Amazings)