El nuevo ánodo está fabricado con nanotubos de germanio. Se carga y descarga cinco veces más rápido que los de silicio, dura el doble de ciclos de carga y es más fácil de fabricar. Su vida de 400 ciclos es igual que la del grafito y es lo bastante duradera para las baterías de aparatos electrónicos portátiles, según Jaephil Cho, investigador del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Corea del Sur y director del nuevo trabajo. “Estos ánodos cumplen con los requisitos prácticos de las pilas de ión-litio”, sostiene Cho.
Cho colaboró con investigadores de LG Chem, la empresa coreana que fabrica las baterías de iones de litio se usan en el Volt de Chevrolet. Pronto se publicarán sus resultados en línea en la revista Angewaldt Chemie. Los investigadores también están trabajando en ánodos de nanotubos de silicio.
Estos avances son parte de una campaña mayor de LG Chem para desarrollar mejores materiales para ánodos para conseguir baterías con más capacidad. “La empresa busca lograr una tecnología nueva usando tanto silicio como germanio para los ánodos de las baterías de iones de litio”, asegura Cho.
Cargar y descargar una batería de este tipo requiere trasladar iones de litio dentro y fuera del ánodo. Cuando más litio pueda almacenar el electrodo, más energía podrá almacenar la batería. En teoría el silicio y el germanio pueden almacenar diez y cuatro veces más carga respectivamente que la misma cantidad de grafito por peso. Hasta ahora el silicio había sido el candidato principal para fabricar los ánodos porque es más barato, pero el silicio cristalino se acaba rompiendo tras sucesivas expansiones y contracciones.
Los materiales en forma de nanoestructura soportan mejor el estrés producido por los cambios de volumen, así que tanto investigadores como un puñado de startups están fabricando ánodos de nanohilos, nanotubos y nanopartículas porosas de silicio. Cho explica que de estas tres posibilidades, los nanotubos tienen la mejor capacidad de carga.
Sin embargo, el inconveniente principal de los ánodos de nanotubo de silicio es su corta vida: suelen mantener su capacidad durante solo 200 ciclos. Los nanotubos de germanio no solo duran más, sino que también cargan y descargan más rápido porque los iones de litio se expanden más rápidamente por el germanio.
“Los ciclos de vida son uno de los parámetros clave para hacer ánodos prácticos”, afirma el profesor de ciencia de los materiales de la Universidad de Stanford (Estados Unidos), Yi Cui, cuya startup, Amprius está comercializando baterías con ánodos de nanohilo de silicio. “Como demostración inicial, es impresionante”, admite Cui. Pero avisa de que el mayor coste del germanio podría ser una limitación.
Cho cree que un mayor interés por los ánodos de germanio podría conllevar una disminución del precio del material. “El germanio es un material abundante y el precio actual se mantiene por falta de demanda”, asegura. “Un obstáculo para el uso del germanio en baterías de verdad es el coste, pero una vez que los grandes fabricantes de baterías quieran usarlo como candidato alte ativo para ánodos, creo que su precio bajará”.
Los investigadores fabrican los nanotubos calentando nanohilos de germanio recubierto de antimonio a 700º centígrados durante cinco horas. Los átomos de germanio se expanden hacia afuera y forman nanotubos huecos con paredes de 40 nanómetros de espesor. El proceso debería ser fácil de trasladar a la fabricación de grandes cantidades y también podría usarse para el silicio, afirma Cho. Es más, al contrario que otros métodos que se usan habitualmente para sintetizar silicio y otros nanotubos, este método tiene un alto rendimiento y produce nanotubos uniformes.
Cho sigue colaborando con LG Chem y otras empresas coreanas en la fabricación de ánodos de nanopartículas porosas de silicio. Mientras, Cui y otros exploran varios nuevos materiales para fabricar cátodos, que ahora mismo tienen densidades de energía mucho más baja que los ánodos y pueden limitar la capacidad global de carga de una batería.