Batería de aluminio-grafeno se carga en 5 segundos y funciona de -40°C a 120°C, 250.000 ciclos

• Ingenieros han creado una nueva batería que funciona en un rango de temperatura de -40°C a 120°C y puede cargarse en 5 segundos.
• Retiene el 91% de su capacidad después de 250.000 ciclos de carga-descarga.
• La batería es extremadamente flexible, soportando 10.000 dobleces.

Ingenieros de la Universidad de Zhejiang, China, han desarrollado una batería de aluminio-grafeno ultrarrápida, para todo clima y de larga duración que presume de un rendimiento superior, especialmente en tiempo de carga. Una vez que comience la producción comercial, la batería podría cargarse completamente en 5 segundos y durar dos horas.

Los investigadores de materiales e ingeniería que desarrollaron la batería afirman que es más resistente al frío, menos inflamable y puede funcionar en un rango de temperatura de -40°C a 120°C. Sin embargo, algunos expertos de la industria han mirado estas afirmaciones con escepticismo.

El polo negativo de la batería está hecho de aluminio y el positivo de grafeno. Es capaz de retener el 91% de su capacidad después de un cuarto de millón de ciclos de carga-descarga, mucho mejor que las baterías de litio actuales. Está diseñada para dispositivos energéticos de todo clima y tiene una flexibilidad notable, soportando 10.000 dobleces.

Si se integra en smartphones, podría cargarse en 5 segundos y usarse hasta dos horas. Además, la batería duraría hasta 70 años sin perder capacidad, incluso si el teléfono se carga 10 veces al día.

Diseño y rendimiento

Para construir el material del cátodo de la batería de iones de aluminio, eligieron grafito, grafeno, azufre y sulfuro metálico. El carbono grafitico proporciona características como carga rápida y ciclos estables. Para tal cátodo basado en carbono, los ingenieros cuidaron 4 requisitos:

1. Red de grafeno altamente cristalizada.
2. Matriz conductora de electrones continua para transporte de gran corriente y mitigación de polarización interna.
3. Alta resistencia mecánica y módulo de Young para prevenir el colapso del material.
4. Canales interconectados, facilitando alta permeabilidad al electrolito y difusión iónica.

Para cumplir estos requisitos construyeron una película de grafeno ideal fabricada mediante hilado en húmedo o recubrimiento por colada de solución de cristal líquido de óxido de grafeno (GO) en película de GO, seguida de reducción química para formar película de GO reducido (rGO) y recocido a alta temperatura.

Una hoja de grafeno perfectamente alineada conduce a una mayor conductividad eléctrica y propiedades mecánicas que las espumas de grafeno compuestas por hojas de grafeno no orientadas. La película de rGO se recoció adicionalmente a 2850 °C para restaurar defectos atómicos, convirtiéndose en una película de grafeno plateada continua y larga.

El rendimiento de una batería depende principalmente del estado de qué tan rápido corren electrones e iones entre electrodos negativo y positivo. El material del electrodo debe permitir que la mayor cantidad posible de electrones e iones corran libremente. Si el camino está saturado, el rendimiento se verá afectado. Por eso hay que cuidar la calidad, orientación y porosidad de las microestructuras, y las redes conductoras, canales de transporte iónico y canales iónicos en una macroestructura.

Referencia: Sciencemag | DOI: 10.1126/sciadv.aao7233 | Universidad de Zhejiang

Este principio de diseño permite a la batería de aluminio-grafeno dar un gran paso adelante y ofrecer un rendimiento asombroso. Anteriormente, la capacidad de la batería de aluminio rondaba los 60 mAh/g, con ciclos de carga-descarga de menos de miles de veces.

Batería encendiendo el LED ZJU-120 | Crédito de imagen: Universidad de Zhejiang

Tras las pruebas, el electrodo positivo de grafeno alcanzó una capacidad de 120 mAh/g, manteniendo el 91% de la capacidad después de 25 millones de ciclos de carga-descarga. Al mismo tiempo, la carga rápida podía completarse en 1,1 segundos, manteniendo una capacidad reversible de 111 mAh/g.

Algunos expertos no están fascinados por los hallazgos

Según un experto de la industria, Zheng Jiatu, director adjunto de la Tecnología de Carga de Vehículos Eléctricos de China, los resultados publicados por el equipo no parecen prometedores. "Las cifras deben leerse con precaución", incluso probar un cuarto de millón de ciclos de carga-descarga llevaría mucho tiempo. Estos resultados son más probablemente experimentos realizados en un modelo de datos simulado en lugar de pruebas de prototipo.

Además, la comercialización requeriría varias cosas que no están claras. Algunos factores clave incluyen rendimiento de costes, intensidad energética del tipo particular de batería, seguridad, fiabilidad y un modelo de negocio maduro. Hay muchas otras tecnologías probadas y listas que aún no se han comercializado.

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Sin embargo, el equipo de investigación dijo que aún tienen un largo camino por recorrer con numerosos obstáculos que superar. Creen que la batería "super" es mucho mejor que las de iones de litio, pero aún hay muchas cosas que mejorar. Además, el electrolito líquido iónico convencional es bastante caro; si se encuentran electrolitos más baratos, las oportunidades de negocio para las baterías de iones de aluminio serían más amplias.