Un nuevo tipo de batería impresa en 3D que utiliza electrodos hechos de almidón vegetal y nanotubos de carbono, podría proporcionar a los dispositivos móviles una fuente de energía de mayor capacidad y más respetuosa con el medio ambiente.
Un equipo de ingenieros dirigido por la Universidad de Glasgow, Escocia, ha desarrollado la batería en un intento por fabricar baterías de iones de litio más sostenibles, capaces de almacenar y entregar energía de manera más eficiente. El diseño y la fabricación de la batería se describen en un artículo publicado en el Journal of Power Sources.
Las baterías de iones de litio brindan una combinación útil de factores de forma compactos y livianos y la capacidad de soportar muchos ciclos de carga y descarga. Eso los ha hecho ideales para su uso en una amplia gama de dispositivos, incluidos ordenadores portátiles, teléfonos móviles, relojes inteligentes y vehículos eléctricos.
Como muchas baterías, las de iones de litio comprenden un electrodo positivo, a menudo hecho de cobalto de litio/óxido de manganeso o fosfato de hierro y litio, y un electrodo negativo, a menudo hecho de metal litio. Durante la carga, los iones de litio fluyen a través de un electrolito desde el electrodo positivo al electrodo negativo donde se almacenan. Durante el uso, los iones fluyen en la dirección opuesta, generando energía para alimentar los dispositivos a través de una reacción electroquímica.
Una de las limitaciones físicas es el grosor de sus electrodos. Los más gruesos restringen la difusión de iones de litio a través del electrodo, lo que limita la energía específica de las baterías de iones de litio. El aumento del grosor de los electrodos también disminuye su tolerancia a la deformación, lo que los hace más propensos a agrietarse. Una vez que un electrodo se rompe, la batería queda inutilizada.
La batería del equipo liderado por la Universidad de Glasgow tiene como objetivo lograr un mejor equilibrio entre el tamaño y el área de la superficie de los electrodos mediante la introducción de pequeños orificios o poros a nano escala y micro escala, en su diseño. Acribillando la superficie y el interior de los electrodos con poros, pueden aumentar en gran medida el área de la superficie en comparación con un electrodo sólido, de las mismas dimensiones externas.
Para ello, utilizaron una técnica de fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, para controlar estrictamente el tamaño y la ubicación de todos y cada uno de los poros de sus electrodos.
Cargaron su impresora 3D con un material que ellos desarrollaron y que combina ácido poliláctico, fosfato de litio-hierro y nanotubos de carbono. El ácido poliláctico es un material biodegradable procesado a partir del almidón de maíz, caña de azúcar y remolacha azucarera, lo que aumenta la posibilidad de reciclar la batería.
Experimentaron con la fabricación de electrodos circulares en tres espesores diferentes de 100, 200 y 300 micrones. Cada electrodo se probó con diferentes combinaciones de materiales, variando la cantidad de nanotubos de carbono en la mezcla de materiales del 3 al 10 % en peso y la porosidad del 10 al 70 % mediante la introducción de rejillas de orificios estrechamente controladas en todo el electrodo.
La batería de electrodos de 300 micrones del equipo con 70% de porosidad se desempeñó mejor durante las pruebas, con una capacidad específica de 151 miliamperios-hora por gramo, o mAh / g, la medida estándar de cuánta carga puede contener una batería. Eso es alrededor de dos a tres veces el rendimiento de una batería de iones de litio tradicional con un electrodo sólido del mismo grosor.
El aumento de la porosidad y, por lo tanto, el área de superficie más grande del electrodo más grueso, de 300 micrones, también influyó en la capacidad de área de la batería. El electrodo más grueso fue capaz de almacenar 4,4 miliamperios-hora por centímetro cuadrado (o mAh cm -2) en comparación con 1,7 mAh cm -2 , logrados en el electrodo de 100 micrones, una ganancia del 158 por ciento.
La investigación fue dirigida por el Dr. Shanmugar  Kumar, de la Escuela de Ingeniería James Watt, de la Universidad de Glasgow, junto con colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología Khalifa, en Abu Dhabi, y la Universidad Texas A&M y la Universidad Estatal de Arizona, en los EE. UU.
El Dr. Kumar dijo: “Las baterías de iones de litio son cada vez más comunes en la vida cotidiana y es probable que continúen aumentando en ubicuidad a medida que avanzamos hacia una mayor electrificación del transporte y un mundo más sostenible. Sin embargo, las baterías de iones de litio tienen sus propios problemas de sostenibilidad, por lo que es importante que busquemos nuevas formas de mejorarlas y hacerlas más respetuosos con el medio ambiente.
“El proceso de impresión 3D que hemos utilizado en esta investigación nos brinda una cantidad notable de control sobre la porosidad de los electrodos, lo que nos permite diseñar, con mucha precisión, un nuevo meta material capaz de abordar algunas de las deficiencias de la generación actual de baterías de iones de litio”.
“Estos son resultados iniciales prometedores, y estamos ansiosos por continuar explorando las posibilidades que ofrecen este tipo de materiales micro arquitecturados para crear baterías mejores y más reciclables para los consumidores futuros”.
El artículo del equipo, titulado ” Electrodos nano compuestos de ácido poliláctico / fosfato de litio y hierro / nanotubos de carbono habilitados para fabricación aditiva, micro arquitecturados y jerárquicamente porosos para baterías de iones de litio de alto rendimiento”, se publicó en el Journal of Power Sources .