Las discusiones sobre las baterías a menudo giran en torno a la densidad de energía. Lo que queremos es una batería que almacene una gran cantidad de energía en un volumen muy pequeño, preferiblemente de una manera que no implique explosiones o incendios. A la vanguardia de la investigación, lo que obtenemos son baterías que son una mezcla de asombrosa e increíblemente mala.
Las baterías modernas son, francamente, un milagro en comparación con la batería de ácido de plomo. Sin embargo, aún contienen menos energía por unidad de masa que la masa equivalente de madera. Esencialmente, simplemente no empaquetamos suficientes átomos en un volumen lo suficientemente pequeño como para competir con los hidrocarburos. Pero, ahora parece que el grafeno, siempre es grafeno, podría ayudar a empaquetar el litio.
El metal invisible
Aunque hay muchas formas de hacer una batería de iones de litio, la química se reduce a lo siguiente: el litio se almacena de alguna forma en un electrodo. El litio se libera como un ion, donde viaja a otro electrodo y reacciona. Al mismo tiempo, los electrones que completan la reacción viajan al mundo a través de un electrodo, realizan algún trabajo y terminan en el otro electrodo, donde completan la reacción.
La clave aquí es que el litio generalmente se almacena como un carburo de litio ligero y de baja densidad. Encontrar materiales que aumenten la densidad del litio es una forma de aumentar la capacidad de la batería.
Aquí es donde la investigación de la batería a menudo se encuentra con problemas. El litio es un elemento muy ligero. El carbono, el otro componente principal de una batería, es también un elemento muy ligero. Cuando se ven a través de un microscopio electrónico, se ven casi idénticos. Eso hace que sea muy difícil examinar cómo se acumula el litio en un electrodo y dificulta ver las variaciones en las estructuras que se forman a medida que se almacenan (o cómo se separan esas estructuras a medida que se eliminan).
Aunque es peor que eso. Los microscopios electrónicos generalmente usan electrones bastante energéticos para crear una imagen. Los electrones tienen más que suficiente energía para eliminar los átomos de carbono y litio de la estructura que se examina. Cuando ha creado su imagen, ha destruido la estructura que creó. No es ideal.
Un grupo de científicos con un microscopio electrónico de transmisión ha sido diseñado para funcionar con electrones de baja energía. El microscopio todavía tiene resolución suficiente para ver átomos individuales, por lo que se pueden determinar las estructuras. Al examinar la cantidad de energía que pierden los electrones a medida que pasan por la muestra, los investigadores también pueden averiguar el contenido de la muestra. Finalmente, el tiempo que lleva recopilar la imagen es lo suficientemente corto (aproximadamente un segundo) para que los investigadores puedan observar la acumulación y el deterioro de las estructuras a medida que se usa la batería.
Un sandwich de litio
Como la microscopía electrónica de transmisión requiere que los electrones pasen a través de la muestra, la capa de carbono-litio tenía que ser muy delgada. Los investigadores optaron por utilizar una cinta de una capa doble de grafeno (el grafeno es una capa única de grafeno con los átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal). Se colocó una gota de iones de litio que contenían electrolitos en un extremo de la cinta de grafeno.
Se colocaron una serie de electrodos a lo largo de la cinta para medir y ajustar los voltajes. Los voltajes se utilizaron para impulsar el litio en la cinta y permitir que saliera de nuevo. Cuando el litio se acumula en la cinta, la resistencia disminuye, lo que permite que un segundo conjunto de electrodos detecte la presencia de litio.
Los investigadores no lo dicen, pero creo que estaban bastante sorprendidos por lo que pasó. El litio se mueve con bastante rapidez en la brecha entre las dos cintas de grafeno. En la escala de su gráfica, el litio aparece instantáneamente entre los electrodos. A partir de la película, parece que se necesitan unos 14 segundos para viajar 50 micrómetros, lo que creo que es sorprendentemente rápido.
La cantidad de litio también es bastante sorprendente. Al examinar la estructura y la composición elemental, los investigadores encontraron que el litio no formaba un carburo de litio, como se esperaba. En su lugar, formaba múltiples capas de litio cristalino con solo la capa más externa que se unía al carbono. Pero el litio metálico no estaba en su forma habitual. En cambio, el litio forma un estado de alta densidad que normalmente se encuentra a baja temperatura o muy alta presión.
No se sobreexcite
Esto es bastante interesante, e incluso puede resultar útil. Pero no todavía. Por otra parte, el litio de alta densidad solo se forma entre dos láminas de grafeno casi perfecto, no el tipo de grafeno que se puede comprar a un fabricante. De hecho, cerca de los bordes de las imperfecciones, la energía impartida por los electrones en el microscopio electrónico fue suficiente para hervir el metal de litio.
Incluso si pudiéramos obtener grandes cantidades de láminas de grafeno de doble capa de alta calidad, no hay certeza de que el litio se difunda tan profundamente como sea necesario durante un ciclo de carga. Es bastante fácil imaginar que el primer ion litio se acumula en un grupo que impide que el resto del litio se mueva hacia el sándwich.
Tampoco es seguro que el grafeno sobreviva al proceso por mucho tiempo. Este es uno de los principales problemas con las baterías que involucran litio metálico: los electrodos se destruyen a sí mismos en múltiples ciclos. No tenemos idea de si el grafeno durará más que los diseños de electrodos actuales.
Dicho esto, los investigadores no están presentando esto como una tecnología lista para baterías. Más bien, es un excelente ejemplo de cómo una necesidad experimental ha llevado a un nuevo conjunto de observaciones interesantes de las que probablemente aprenderemos mucho. Y, si tenemos suerte, eventualmente ayudará a mejorar las baterías.
Nature , 2018, DOI: 10.1038 / s41586-018-0754-2 ( Acerca de los DOI )
