O estudo descubriu unha forma de facer que as baterías que usamos todos os días sexan máis resistentes, potentes e seguras.
Corre o ano 2018 e as nosas vidas cotiás están alimentadas por diferentes aparellos que funcionan con electricidade ou con baterías. A nosa dependencia dos aparellos e dispositivos que funcionan con baterías está a medrar fenomenalmente. Unha batería é un dispositivo que almacena enerxía química que se converte en electricidade. As baterías son como mini reactores químicos que reaccionan producindo electróns cheos de enerxía que flúen a través do dispositivo externo. Xa sexan teléfonos móbiles, portátiles ou outros vehículos eléctricos, as baterías, xeralmente de ións de litio, son a principal fonte de enerxía para estas tecnoloxías. A medida que a tecnoloxía avanza, existe unha demanda continua de baterías recargables máis compactas, de alta capacidade e seguras.
As baterías teñen unha longa e gloriosa historia. O científico estadounidense Benjamin Franklin usou por primeira vez o termo "batería" en 1749 mentres realizaba experimentos con electricidade usando un conxunto de capacitores conectados. O físico italiano Alessandro Volta inventou a primeira batería en 1800 cando apilaba discos de cobre (Cu) e cinc (Zn) separados por un pano empapado en auga salgada. A batería de chumbo-ácido, unha das baterías recargables máis duradeiras e antigas foi inventada en 1859 e aínda se usa en moitos dispositivos aínda hoxe, incluíndo o motor de combustión interna nos vehículos.
As baterías percorreron un longo camiño e hoxe en día veñen nunha ampla gama de tamaños, desde grandes megavatios, polo que en teoría poden almacenar enerxía de parques solares e iluminar minicidades, ata poderían ser tan pequenas como as que se usan nos reloxos electrónicos, marabilloso, non si? Nunha batería primaria, a reacción que produce o fluxo de electróns é irreversible e, finalmente, cando se consume un dos seus reactivos, a batería descárgase ou morre. A batería primaria máis común é a batería de zinc-carbono. Estas baterías primarias eran un gran problema e a única forma de abordar a eliminación destas baterías era atopar un método no que se puidesen reutilizar, é dicir, facéndoas recargables. A substitución das baterías por outras novas era obviamente pouco práctica e, polo tanto, a medida que as baterías se volvían máis potentes e grandes, volveuse case imposible, por non mencionar que era bastante caro substituílas e desfacerse delas.
As baterías de níquel-cadmio (NiCd) foron as primeiras baterías recargables populares que utilizaron un álcali como electrólito. En 1989 desenvolvéronse baterías de níquel-metal hidróxeno (NiMH) que teñen unha vida útil máis longa que as baterías de NiCd. Non obstante, tiñan algúns inconvenientes, principalmente que eran moi sensibles á sobrecarga e ao sobrequecemento, especialmente cando se lles cobraba, digamos a súa tarifa máxima. Polo tanto, tiñan que cargarse lenta e coidadosamente para evitar danos e requirían tempos máis longos para cargarse con cargadores máis sinxelos.
Inventadas en 1980, as baterías de ións de litio (LIB) son as baterías máis empregadas nos dispositivos electrónicos de consumo na actualidade. O litio é un dos elementos máis lixeiros e ten un dos maiores potenciais electroquímicos, polo que esta combinación é ideal para fabricar baterías. Nas LIB, os ións de litio móvense entre diferentes eléctrodos a través dun electrolito que está feito de sal e solventes orgánicos (na maioría das LIB tradicionais). Teoricamente, o metal de litio é o metal máis electricamente positivo, cunha capacidade moi alta e é a mellor opción posible para as baterías. Cando as LIB están a recargarse pouco, o ión de litio cargado positivamente convértese en metal de litio. Polo tanto, as LIB son as baterías recargables máis populares para o seu uso en todo tipo de dispositivos portátiles debido á súa longa vida útil e alta capacidade. Non obstante, un problema importante é que o electrolito pode evaporarse facilmente, o que provoca un curtocircuíto na batería e isto pode supoñer un perigo de incendio. Na práctica, as baterías litixiosas (LIB) son realmente inestables e ineficientes, xa que co tempo as disposicións do litio se volven non uniformes. As LIB tamén teñen baixas taxas de carga e descarga e os problemas de seguridade as fan inviables para moitas máquinas de alta potencia e alta capacidade, como os vehículos eléctricos e híbridos. Informouse de que as LIB presentan boas capacidades e taxas de retención en ocasións moi raras.
Así, non todo é perfecto no mundo das baterías xa que nos últimos anos moitas baterías foron marcadas como inseguras porque se incendian, son pouco fiables e ás veces ineficientes. Os científicos de todo o mundo están na procura de construír baterías que sexan pequenas, recargables con seguridade, máis lixeiras, máis resistentes e ao mesmo tempo máis potentes. Polo tanto, o foco cambiou aos electrólitos de estado sólido como alternativa potencial. Mantendo isto como obxectivo, os científicos probaron moitas opcións, pero a estabilidade e escalabilidade foron un obstáculo da maioría dos estudos. Os electrólitos de polímero mostraron un gran potencial porque non só son estables senón tamén flexibles e tamén económicos. Desafortunadamente, o principal problema con tales electrólitos de polímero é a súa baixa condutividade e propiedades mecánicas.
Nun estudo recente publicado en ACS Nano Letters , os investigadores demostraron que a seguridade dunha batería e mesmo moitas outras propiedades pódense mellorar engadindo nanofíos, o que a fai superior. Este equipo de investigadores da Facultade de Ciencia e Enxeñaría de Materiais da Universidade Tecnolóxica de Zhejiang, China, baseouse na súa investigación anterior na que fabricaran nanofíos de borato de magnesio que presentaban boas propiedades mecánicas e condutividade. No presente estudo, comprobaron se isto tamén sería certo para as baterías cando se engaden tales nanofíos a un electrolito de polímero de estado sólido. O electrolito de estado sólido mesturouse con nanofíos de borato de magnesio do 5, 10, 15 e 20% do peso. Observouse que os nanofíos aumentaban a condutividade do electrolito de polímero de estado sólido, o que facía que as baterías fosen máis robustas e resistentes en comparación coas anteriores sen nanofíos. Este aumento da condutividade debeuse ao aumento do número de ións que pasaban e se movían a través do electrolito e a un ritmo moito máis rápido. Toda a configuración era como unha batería pero con nanofíos engadidos. Isto mostrou unha maior taxa de rendemento e un aumento dos ciclos en comparación coas baterías normais. Tamén se realizou unha importante proba de inflamabilidade e observouse que a batería non se queimou. As aplicacións portátiles amplamente utilizadas na actualidade, como os teléfonos móbiles e os portátiles, deben actualizarse coa enerxía almacenada máxima e máis compacta. Isto obviamente aumenta o risco de descarga violenta e é manexable para estes dispositivos debido ao pequeno formato das baterías necesarias. Pero a medida que se deseñan e proban aplicacións de baterías máis grandes, a seguridade, a durabilidade e a potencia adquiren unha importancia suprema.
***
Fonte (s)
Sheng O et al. 2018. Electrólitos de estado sólido multifuncionais habilitados por nanofíos de Mg2B2O5 con alta condutividade iónica, excelentes propiedades mecánicas e rendemento ignífugo. Nano Letters. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
***
