La estructura interna de la granada ha servido de inspiración para crear una nueva generación de baterías de ión-litio mucho más potentes con un menor tamaño y peso
Llamamos biomímesis al proceso de observación y copia de modelos de comportamiento basados en la naturaleza, para resolver problemas concretos desde el punto de vista científico y tecnológico. La aplicación de esta corriente científica por parte de un grupo de investigadores ha dado como resultado una nueva batería inspirada en la granada.
Esta nueva generación de baterías de ión-litio, creada por investigadores del Departamento de Energía del SLAC y de la Universidad de Stanford, se inspira en la estructura interna de esta popular fruta para obtener baterías más potentes con un menor tamaño y peso. Inspirándose en la estructura interna de la granada, los investigadores han conseguido crear una batería con una sección interior integrada por nanopartículas de silicio agrupadas como semillas en una corteza de carbono duro.
Según los datos publicados por el equipo de investigadores en la revista Nature Nanotechnology, los resultados obtenidos durante los primeros ensayos demuestran que la batería inspirada en la granada opera al 97 por ciento de capacidad, incluso después de someterse a 1.000 ciclos de carga y descarga.
Pero pasemos a ver cómo funciona. El ánodo o electrodo negativo es la parte de la batería donde se almacena la energía durante la carga. En las baterías de iones de litio recargables que utilizamos habitualmente se utilizan ánodos de grafito con un almacenamiento de energía más o menos aceptable. Pues bien, los ánodos de silicio de la nueva batería, inspirada por biomímesis en la estructura de la granada, pueden almacenar hasta 10 veces más energía que los ánodos de grafito convencionales.
Sin embargo, a pesar de la excelente capacidad de carga del ánodo de silicio, los investigadores tuvieron que resolver los problemas de degradación del silicio por su inestabilidad durante los ciclos de carga y descarga con la consecuente pérdida de rendimiento de la batería. La solución adoptada por el equipo de investigadores liderado por Yi Cui, profesor asociado en Stanford y el SLAC, fue abordar el problema de las dilataciones y contracciones del silicio reduciéndolo a la escala nanométrica.
El uso de nanocables o nanopartículas de silicio, lo suficientemente pequeñas para no romperse en pedazos más pequeños, ayudó a solventar los problemas de fragilidad de los ánodos de silicio. Ahora sólo quedaba mejorar la capacidad de almacenaje de la energía y optimizar el rendimiento de la batería. Para ello se basaron en un estudio del estudiante de postgrado Nian Liu y el investigador Zhenda Lu.
Este estudio demostraba que la agrupación de cortezas de carbono duro imitando la particular estructura interna de la granada, proporciona una vía mucho más resistente y eficiente para la transmisión de la corriente eléctrica. Por tanto, el equipo de Yi Cui recubrió las nanopartículas de silicio del ánodo con una carcasa de carbono duro, dejando espacio suficiente para que el silicio pueda dilatarse y contraerse durante los ciclos de carga y descarga. El resultado fue un ánodo de silicio estable, con mayor almacenamiento de energía y un rendimiento óptimo.
Por otro lado, este tipo de estructuras de granada tiene una ventaja añadida. Al tener una estructura en forma de semillas agrupadas, el área expuesta al electrolito es mucho más pequeña. Por tanto, se reduce la cantidad de suciedad generada por la reacción del silicio con el electrolito de la batería.
Los investigadores centran ahora sus esfuerzos en la simplificación del proceso y la búsqueda de fuentes más económicas para producir nanopartículas de silicio, con el fin de hacer viable la producción de esta nueva generación de baterías de ión-litio a escala comercial.
