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Los vellones de metal aumentan la densidad de energía de la batería al permitir electrodos más gruesos y de carga más rápida

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Las celdas de batería de iones de litio actuales son muy complejas en su estructura y proceso de fabricación (izquierda). Los vellones de metal (Batenefleece) como contactos eléctricos simplifican el diseño y la fabricación de una batería y reducen la proporción de materiales pasivos. Esto hace que las baterías sean más baratas y potentes (correctas). Crédito: Sociedad Max Planck

Las baterías se están volviendo cada vez más potentes. Un descubrimiento realizado por investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación Médica en Heidelberg ahora podría darles un impulso energético significativo.

Un equipo dirigido por el director de Max Planck, Joachim Spatz, descubrió que los vellones de metal utilizados como material de contacto en electrodos de batería aceleran significativamente el transporte de carga de iones metálicos, en particular. Esto permite construir electrodos significativamente más gruesos que los estándar hoy. Significa que aproximadamente la mitad del metal de contacto y otros materiales que no contribuyen al almacenamiento de energía se pueden ahorrar, y hace posible que los investigadores aumenten significativamente la densidad de energía en las baterías.

Los hallazgos se publican en la revista ACS Nano.

El status quo: un compromiso entre la densidad de energía y el rendimiento

“La base de esto es un mecanismo previamente desconocido que descubrimos en el transporte de iones en electrodos”, dice Spatz. Los electrodos de la batería consisten en un material de contacto y un material activo. El material de contacto: Today, esta es una lámina de cobre para el terminal negativo de las baterías de iones de litio y una lámina de aluminio para el terminal positivo, solo sirve para transportar la corriente hacia y desde el electrodo.

El material activo es el material de almacenamiento real que absorbe y libera la carga durante la carga y la descarga. Hoy, los fabricantes de baterías usan grafito en el terminal negativo y varios compuestos inorgánicos que contienen litio en el terminal positivo. El material activo es poroso para que sea penetrado por el electrolito líquido.

Aunque los materiales activos comúnmente utilizados hoy en día absorben bastante carga, realizan iones muy mal. Los iones deben migrar a través del electrolito líquido al material activo. Debido a que están empacados en una cáscara de moléculas de electrolitos y son correspondientemente voluminosos, se mueven lentamente a través del electrolito. Y no avanzan bien en el material activo en sí.

Esto presenta a los fabricantes de baterías con un dilema: o hacen que los electrodos sean gruesos para que su densidad de energía sea lo más alta posible, pero las baterías en cuestión no se pueden cargar y descargar rápidamente. O hacen que los electrodos sean extremadamente delgados y acepten que la densidad de energía disminuirá para lograr una carga y descarga rápida. Con un compromiso entre las dos propiedades, los fabricantes de baterías terminan hoy con electrodos que tienen alrededor de una décima parte de un milímetro delgado. Esto corresponde aproximadamente al diámetro de un cabello humano.

Un nuevo enfoque: transporte de iones acelerado a través de una doble capa eléctrica

En el estudio, el equipo de Heidelberg ahora ha demostrado cómo los electrodos se pueden producir al menos diez veces más gruesos de lo habitual hoy y aún se cargan y descargan rápidamente. Los investigadores han demostrado que los iones de litio eliminan su carcasa molecular en una superficie de cobre, se depositan allí y forman una doble capa eléctrica con electrones que se acumulan debajo de la superficie metálica, conocida como la capa Helmholtz.

“Utilizando una configuración de medición especialmente desarrollada y cálculos teóricos, hemos demostrado que los iones de litio se mueven a través de la capa Helmholtz alrededor de 56 veces más rápido que a través del electrolito”, dice Spatz. “Por lo tanto, las superficies metálicas son una especie de autopista para los iones metálicos”.

Cuando los iones metálicos migran tan rápido a través de las superficies metálicas, significa que es aconsejable intercalar el material activo con una red de autopistas metálicas para el transporte de iones. Esto es exactamente lo que Spatz y su equipo han hecho. Los investigadores han producido vellones de hilos de metal que tienen solo unas pocas centésimas de un milímetro de espesor. Luego insertaron el material activo en el vellón de metal. Por lo tanto, solo necesitaban la mitad de cobre que se requiera para los electrodos de aluminio convencionales.

Incluso si un electrodo es aproximadamente diez veces más grueso de lo habitual hoy, los iones de litio aún fluyen dentro y fuera del material activo a través de un vellón tan rápido que es suficiente para usar en autos eléctricos, por ejemplo. Para los electrodos de lana, la conclusión es que la densidad de energía es hasta un 85% más alta que para los electrodos de aluminio.

“Sumerir un material con carga a través de capas bidimensionales de ninguna manera es eficiente”, dice Spatz, señalando el ejemplo de la naturaleza: suministra organismos a través de una red tridimensional de embarcaciones. “Ese es el objetivo de nuestra tecnología: una red de suministro 3D para portadores de carga que se pueden usar para cargar y descargar baterías de manera eficiente”.

Sin embargo, los electrodos de vellón no solo son significativamente más potentes que los electrodos de aluminio, sino que también son más fáciles y más baratos de fabricar. Esto se debe a que en la producción de baterías actuales, los fabricantes deben aplicar las capas delgadas de material activo a las láminas de contacto en un proceso complejo, a veces utilizando solventes tóxicos. En contraste, el material activo se puede introducir en los vellones en forma de polvo.

“Con el relleno en seco, probablemente podamos ahorrar del 30% al 40% de los costos de producción, y las instalaciones de producción necesitan un tercer espacio menos”, dice Spatz.

Debido a que el investigador ve un gran potencial en los electrodos de vellón, ya ha fundado una nueva empresa que está desarrollando la tecnología de baterías para la preparación del mercado junto con, por ejemplo, los fabricantes de autos mayores. Y esto, Spatz está convencido, también podría mejorar las posibilidades de los fabricantes alemanes de competir en la tecnología de baterías en rápido desarrollo.

“Con nuestra tecnología, tenemos la oportunidad de ponernos al día con los fabricantes asiáticos y ser aún mejor”, dice.

Más información: Yuanzhen Wang et al, movilidad iónica mejorada en la capa de Helmholtz que permite electrodos ultraza, ACS nano (2025). Doi: 10.1021/acsnano.5c04343

Proporcionado por Max Planck Society

Cita: los vellones de metal aumentan la densidad de energía de la batería al permitir electrodos más gruesos y de carga más rápida (2025, 21 de mayo) Recuperado el 21 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-metalfleces-boost-battery-energy.html

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