Electrodos densos y gruesos: la nueva promesa para baterías más potentes

Los electrodos son considerados las venas de las baterías, responsables de captar y transportar la energía que almacenan. La potencia y eficiencia de las baterías dependen en gran medida del rendimiento de estos componentes. Recientemente, un equipo de investigadores de Penn State presentó un nuevo diseño que promete aplicaciones prácticas en dispositivos electrónicos móviles y vehículos eléctricos.

El equipo desarrolló electrodos densos y gruesos que mejoran significativamente la capacidad de carga a nivel celular, al tiempo que aumentan la resistencia mecánica para soportar la degradación durante los ciclos de carga de la batería. Mediante un proceso de fabricación innovador, lograron superar las desventajas que normalmente se asocian con el aumento de la densidad y el grosor de los electrodos.

La investigación fue publicada en Nature Communications. Según Hongtao Sun, profesor asistente de ingeniería industrial y de fabricación y principal investigador del proyecto, la clave para mejorar las baterías radica en aumentar la cantidad de material activo, que es el componente que almacena energía y afecta el rendimiento de la batería, en los electrodos.

"Tradicionalmente, el material activo representa solo entre el 30% y el 50% de las celdas de batería comerciales", explicó Sun. "Al hacer el electrodo más grueso, podemos aumentar la cantidad total de material activo y, por ende, la energía total de la batería".

Sun, quien también está afiliado a la ingeniería biomédica, ciencia de materiales y el Instituto de Investigación de Materiales de Penn State, aclaró que aumentar el grosor del electrodo generalmente requiere que la estructura sea altamente porosa, con más del 40% de espacio vacío, para permitir que las cargas se muevan con facilidad.

Sin embargo, esa porosidad adicional reduce la cantidad de material activo y, por lo tanto, la energía que la batería puede almacenar en general. Aunque compactar los electrodos parece una solución obvia para aumentar la potencia, Sun explicó que la estructura compacta restringe el transporte de carga, debilitando el rendimiento de la batería.

Para superar este compromiso, el equipo de Sun diseñó límites sintéticos dentro de sus electrodos, que actúan como un "reservorio" para las cargas y permiten un rápido desplazamiento a través del sistema. Gracias a estos límites, los electrodos pueden ser de cinco a diez veces más gruesos y dos veces más densos que los electrodos convencionales, aumentando significativamente la densidad de energía dentro de un volumen limitado.

Las baterías resultantes demostraron una densidad de energía potencial que supera los 500 vatios-hora por kilogramo a nivel celular, un nivel de potencia que podría permitir a los vehículos eléctricos lograr un rango de conducción mucho más largo por carga, según Sun.

Sun afirmó que esta estrategia logra un equilibrio óptimo entre peso, grosor, volumen y capacidad, produciendo un rendimiento a nivel celular que supera el de los electrodos comerciales actuales.

"Al crear una red tridimensional de límites sintéticos en nuestros electrodos, podemos aumentar la salida de energía mientras aumentamos simultáneamente la densidad y el grosor, superando una limitación de los electrodos comerciales actuales", dijo Sun.

El equipo utilizó varios aditivos líquidos durante la densificación, comprimiendo y calentando gradualmente la mezcla a aproximadamente 120 grados Celsius, una temperatura mucho más baja que las que se utilizan en los procesos de densificación tradicionales, que pueden alcanzar los 1,000 grados Celsius. Este proceso de densificación de bajo consumo energético ayudó al equipo a formar los límites sintéticos, que consisten en un gel líquido poliónico especializado, dentro de los electrodos.

Además de un mejor rendimiento, Sun explicó que este enfoque produjo electrodos con mejoras mecánicas sustanciales.

"Logramos aumentar la resistencia en un factor de 10 y mejorar la resistencia última del electrodo en tres veces en comparación con los electrodos prensados en caliente hechos sin un aditivo líquido", comentó Sun, quien explicó que el equipo desarrolló una correlación de imágenes digitales como herramienta para monitorear la respuesta de deformación de los electrodos en tiempo real durante la operación de la batería.

A diferencia de técnicas complejas basadas en sincrotrones, este método es asequible con equipos de laboratorio estándar, ofreciendo a los investigadores una forma práctica de visualizar y estudiar cómo se degradan las baterías.

Según Sun, los electrodos de batería a menudo se desgastan con el tiempo debido al estrés dinámico creado por los ciclos de carga y descarga repetidos, un daño que es muy notorio en dispositivos como los teléfonos móviles, donde las baterías pasan por un ciclo de carga casi a diario. Al aumentar la tolerancia al daño de sus electrodos, las baterías del equipo no se ven tan afectadas por los ciclos de carga, extendiendo en gran medida su vida útil efectiva.

Sun indicó que la técnica de fabricación de electrodos del equipo es asequible, escalable para aplicaciones industriales y compatible con equipos estándar. Los investigadores buscan escalar su fabricación de electrodos para la comercialización, planeando transitar de la producción a escala por lotes, que solo permite ensamblar un número específico y de bajo volumen de electrodos a la vez, a la fabricación continua en rollo. Este sistema incorporaría rodillos controlados por presión y temperatura, junto con herramientas de control de calidad integradas, para permitir la producción a gran escala de los electrodos mejorados del equipo.