El litio-ion se ha convertido en el tipo de batería más utilizada en los vehículos eléctricos, lo que ha conducido a los investigadores a mejorar el rendimiento de su tecnología, la longevidad y la fiabilidad. Un nuevo tipo de electrodo de nanocables desarrollado por el profesor de ciencias de los materiales e ingeniería Yi Cui en Stanford marca un nuevo paso hacia esos objetivos.

Los nuevos electrodos, de los que se habla en el número de la semana pasada de Nano Letters, son capaces de almacenar una carga seis veces mayor a la de los electrodos de grafito de las batería de litio actuales—lo que significa que los coches eléctricos son capaces de recorrer más kilómetros con carga sesión de carga.

Cuando una batería de litio se carga, los iones de litio se mueven del electrodo positivo (cátodo) al ánodo negativo. El silicio es un material prometedor para los ánodos puesto que puede almacenar 10 veces más iones que el grafito con el mismo peso. Sin embargo, cuando el silicio absorbe la carga, se hincha hasta alcanzar cuatro veces su volumen original, y se raja después de ser sometido a sólo unos pocos ciclos de carga.

Los nuevos nanocables toman partido de las propiedades del silicio y del grafito. Cui y sus colegas fabrican el material mediante el depósito de silicio amorfo en nanocables de carbono. Los cables son capaces de almacenar una carga de alrededor de 2.000 miliamperios hora por gramo, mientras que los ánodos de grafito almacenan menos de 360 miliamperios hora por gramo. Por otro lado, el núcleo de carbono les proporciona robustez. “Los iones de litio también pueden ser absorbidos en el carbono,” afirma Cui, “aunque el volumen de expansión del carbono es del 10 por ciento o menos, por lo que proporciona una base muy estable.” Durante las pruebas, los nanocables tuvieron un buen rendimiento durante más de 50 ciclos de carga.

Con anterioridad, los investigadores habían logrado fabricar electrodos a partir de nanocables de silicio cristalino puro. Tenían el triple de capacidad de almacenaje que los electrodos de grafito aunque sólo duraban 20 ciclos.

Los nanocables de carbono-silicio son más fáciles de fabricar. No requieren las altas temperaturas que se necesitan para cultivar los nanocables hechos únicamente a partir de silicio. “La nanofibra de carbono la está disponible a nivel comercial y se pueden producir toneladas,” afirma Cui. “El proceso de recubrimiento se podría llevar a cabo mucho más rápidamente y resulta sencillo para la manufactura a gran escala.”

Para su uso en vehículos eléctricos comerciales, los electrodos de las baterías de litio necesitan durar al menos 300 ciclos de carga. A este nivel, los nanocables podrían enfrentarse a la dura competencia. En diciembre de 2008, un equipo de la Universidad de Hanyang en Ansan, Corea del Sur, desveló unos ánodos de silicio nanoporoso capaces de durar más de 100 ciclos de carga y de almacenar más carga que los nanocables. El químico Jaephil Cho, que dirigió el trabajo, afirma que el material nanoporoso tiene más volumen de silicio por unidad que los nanocables, por lo que puede almacenar más carga por unidad de volumen. Sin embargo, afirma, “la manufactura de la fibra de carbono se puede escalar fácilmente y, por tanto, se cree que el método de Cui para fabricar nanocables de carbono-silicio es muy práctico.”

Mientras tanto, General Motors y Applied Sciences están desarrollando ánodos de nanocables muy similares a los del equipo de Stanford. Las compañías recubren nanofibras de carbono con partículas de silicio, en vez de utilizar silicio amorfo, lo que da como resultado unos ánodos capaces de almacenar carga de entre 1.000 y 1.500 miliamperios hora por gramo. Gholam-Abbas Nazri, que dirige el estudio en el Cenro de Investigación y Desarrollo GM en Warren, Michigan, afirma que la capacidad del ánodo se puede incrementar si se hace que la capa de silicio sea más gruesa, pero que ahora mismo es mejor estabilizar la capacidad en 1.000 miliamperios hora por gramo. Los ánodos capaces de almacenar más carga necesitan cátodos que puedan proporcionar una carga mayor, señala Nazri, y “por el momento, no existe un material para fabricar cátodos con la suficiente capacidad como para igualar los ánodos de carbono-silicio.”

Cui confía en el éxito del silicio como material para la elaboración de ánodos para las baterías de litio-ion. “Durante los próximos cinco años o menos, veremos baterías hechas con ánodos de silicio,” afirma. Sin embargo, el coste será el factor decisivo. Finalmente, señala, todo dependerá de “quién sea capaz de dar con un proceso de manufactura a gran escala, de bajo coste, para producir el mejor tipo de rendimiento, y lanzar los productos al mercado.”