Nuevas baterias de bajo coste a partir de los desechos de grafito

Por Amelia OS

(Last Updated On: marzo 18, 2018)

Publicado a las 09:24 PM CST en Oct 12,2017 | Actualizado a las 09:24 PM CST en Oct 12,2017


Las baterías de iones de litio son inflamables y el precio de la materia prima está subiendo. ¿Existen alternativas? Sí: Los investigadores de Empa y ETH Zürich han descubierto enfoques prometedores en cuanto a cómo podríamos producir baterías a partir de grafito usado y chatarra metálica.

Kostiantyn Kravchyk trabaja en el grupo de Maksym Kovalenko. Este grupo de investigación tiene su sede en ETH Zurich y en el Laboratorio de Láminas Finas y Fotovoltaica de Empa. El ambicioso objetivo de los dos investigadores en la rama Empa es hacer una batería de los elementos más comunes en la corteza terrestre, como el magnesio o el aluminio.

Estos metales ofrecen un alto grado de seguridad, incluso si el ánodo está hecho de metal puro. Esto también ofrece la oportunidad de ensamblar las baterías de una manera muy sencilla y económica y de aumentar rápidamente la producción.

Para hacer funcionar tales baterías, el electrolito líquido necesita consistir en iones especiales que no cristalizan a temperatura ambiente – es decir, forman una especie de fundido. Los iones de metal se mueven entre el cátodo y el ánodo en este “fundido frío”, envueltos en un grueso manto de iones de cloruro. Alternativamente, se pueden utilizar aniones orgánicos grandes pero ligeros, que no contienen metales.

Sin embargo, esto conlleva un problema: ¿adónde se supone que estos iones “gruesos” irán cuando se cargue la batería? ¿Qué podría ser un material catódico adecuado? A modo de comparación: en las baterías de iones de litio, el cátodo está compuesto por un óxido metálico, que puede absorber fácilmente los pequeños cationes de litio durante la carga. Esto no funciona para los iones tan grandes, sin embargo. Además, estos aniones grandes tienen una carga opuesta a los cationes de litio.

El grafito de Kish es un residuo de la producción de acero. Se podría utilizar para hacer una batería recargable barata a partir de abundantes materiales. Crédito: Empa / ETH Zürich

Para resolver el problema, el equipo de Kovalenko tenía un truco en la manga: los investigadores volvieron el principio de la batería de iones de litio al revés. En las baterías de iones de litio convencionales, el ánodo (el polo negativo) está hecho de grafito, cuyas capas (en estado cargado) contienen los iones de litio. En la batería de Kovalenko, por el contrario, el grafito se utiliza como cátodo (el polo positivo). Los aniones gruesos se depositan entre las capas de grafeno. En la batería de Kovalenko, el ánodo está hecho de metal.

Kravchyk hizo un descubrimiento notable mientras buscaba el grafito “correcto”: descubrió que el desperdicio de grafito producido en la producción de acero, conocido como “grafito kish”, es un gran material catódico. El grafito natural también funciona igualmente bien – si se suministra en copos gruesos y no se muele demasiado finamente o en formas dobladas y sin copos.

La razón: las capas de grafito se abren en los bordes de las escamas y los aniones gruesos pueden deslizarse más fácilmente en la estructura. Sin embargo, el grafito molido fino que se utiliza normalmente en las baterías de iones de litio no es adecuado para la batería de Kovalenko. Al moler las partículas de grafito, las capas se arrugan como papel arrugado. Sólo los iones de litio pequeños son capaces de penetrar este grafito arrugado, no los aniones gruesos de la nueva batería.

La batería de cátodo de grafito fabricada con acero “kish grafito” o escamas de grafito natural en bruto tiene el potencial de ser altamente rentable. Y si los primeros experimentos son cualquier cosa por lo que pasar, también es de larga duración. Durante varios meses, un sistema de laboratorio sobrevivió a miles de ciclos de carga y descarga.

“La batería de cloruro de aluminio y cátodo de grafito podría durar décadas en el uso doméstico cotidiano”, explica Kravchyk y añade:”Demostraciones similares, pero mayores voltajes de batería, sin comprometer las capacidades, y de elementos aún más ligeros están en camino y ofrecerán un mayor aumento de las densidades de energía de 60 Wh kg-1 a más de 150 Wh kg-1″.


Referencias & Fuentes

phys.org | Low-cost battery from waste graphite

.sciencedaily.com | Batteries of the future: Low-cost battery from waste graphite

 

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