Una batería de ión de litio con un electrodo positivo compuesto de nanotubos de carbono proporciona 10 veces más potencia que una batería convencional y puede almacenar cinco veces más energía que un condensador de capacidad convencional. Esta nueva tecnología de baterías de nanotubos, desarrollada por investigadores del MIT y licenciada a una empresa de fabricación de baterías no revelada, podría llevar a nuevas baterías que ampliaran la distancia que pueden recorrer los vehículos electrónicos y proporcionar períodos más largos sin necesidad de recarga a los dispositivos electrónicos, incluyendo los teléfonos inteligentes.

Los investigadores han estado intentando fabricar electrodos de nanotubos de carbono para baterías de iones de litio debido a que su gran área superficial y su alta conductividad prometen mejorar tanto la densidad y cantidad de energía en comparación con las formas convencionales de carbón. Sin embargo, trabajar con este material ha resultado ser un desafío--la mayoría de los métodos para el montaje de nanotubos de carbono requieren un agente enlazante que provoca una caída de la conductividad del electrodo y lleva a la formación de aglomeraciones del material, reduciendo así la superficie. Los electrodos fabricados por el grupo del MIT, no obstante, tienen un área superficial muy alta para el almacenamiento y la reacción con litio. Esta gran superficie es crítica tanto para una alta capacidad de almacenamiento de los electrodos, como para obtener una gran potencia: como el litio se almacena en la superficie, éste puede entrar y salir del electrodo con rapidez, lo que agiliza la carga y descarga de la batería.

La clave para la eficiencia de los electrodos del MIT es un proceso de montaje que crea una película porosa de nanotubos de carbono densa e interconectada sin la necesidad de ningún relleno. El grupo, liderado por la profesora de ingeniería química Paula Hammond y el profesor de ingeniería mecánica Yang Shao-Horn, crea soluciones en agua de nanotubos de carbono tratados de forma que un grupo está cargado positivamente y el otro, negativamente. A continuación, inmerjan de forma alternada un sustrato, por ejemplo, una lámina de vidrio, en las dos soluciones, y los nanotubos, atraídos por la diferencia en sus cargas, se aferran el uno al otro con mucha fuerza creando una fina lámina uniforme. Los investigadores habían demostrado previamente que cuando se calienta y se retira del sustrato, esta película densa pero porosa puede almacenar mucha carga y liberarla rápidamente--actuando como un electrodo en un ultracondensador.

Recientemente, el grupo del MIT ha adaptado estos métodos para fabricar electrodos para baterías. Las baterías de ión de litio se cargan y descargan cuando los iones de litio pasan de un electrodo a otro, provocando o conducidos por una corriente externa. Cuanto más litio puede almacenar una batería, mayor será su capacidad total de almacenamiento de energía. Cuanto más rápido pueden moverse los iones dentro y fuera de un electrodo, mayor será la potencia. En el artículo publicado esta semana en la revista Nature Nanotechnology, el grupo del MIT mostró que los iones de litio en el electrolito de una batería reaccionan con el oxígeno--encerrando grupos químicos en la superficie de los nanotubos de carbono de la película. A causa de la gran superficie y de la estructura porosa de los electrodos de nanotubos, los iones pueden reaccionar por muchos sitios diferentes, y pueden entrar y salir rápidamente, lo que proporciona a las baterías de nanotubos un alto potencial de energía y de potencia, señala Shao-Horn.

"Este trabajo ha demostrado una vez más que el desarrollo de métodos para el control estructural minucioso a escala nano conduce a mejoras importantes en las prestaciones de los materiales", afirma Nicholas Kotov, profesor de ingeniería química en la Universidad de Michigan. "Creo que se trata sólo del comienzo de una importante mejora de las baterías de litio utilizando un enfoque de ingeniería de materiales."

El siguiente paso, señala Hammond, es "acelerar las cosas." Utilizando el método de inmersión, el grupo puede fabricar películas de nanotubos relativamente gruesas, pero el proceso dura una semana. "Si quiere fabricar una batería de coche, tendrá que hacerla más espesa, y en grandes áreas," afirma Hammond. En lugar de inmersión de un substrato en las dos soluciones de nanotubos, el grupo de Hammond está actualmente fabricando los electrodos en un par de horas mediante la pulverización por turnos de una niebla de cada una de las dos soluciones de nanotubos. Una de las grandes ventajas de este método de nebulización es que es compatible con los procesos de impresión de gran área que prometen la velocidad y la compatibilidad necesarias con una amplia gama de sustratos. Por ejemplo, las baterías de nanotubos podrían ser impresas directamente sobre circuitos integrados.