Un experimento de tres meses con un resultado extraordinario
En un laboratorio de la Universidad de California en Irvine, la investigadora doctoral Mya Le Thai cargó y descargó repetidamente un electrodo experimental hasta alcanzar 200.000 ciclos. Después de tres meses, los investigadores no detectaron pérdida de capacidad ni de potencia y no encontraron nanohilos fracturados. La UCI anunció los resultados el 20 de abril de 2016, cuando se publicó el estudio en ACS Energy Letters.
Contenido
- Un experimento de tres meses con un resultado extraordinario
- Cómo una fina capa de gel cambió el experimento
- Por qué los nanohilos necesitan protección
- Qué significan las cifras de rendimiento
- De dónde sale la estimación de 400 años
- Qué necesitaban entender aún los investigadores
- De los nanohilos de oro a las baterías prácticas
- Los hitos detrás del descubrimiento
- Puntos clave
El material combinaba nanohilos de oro, un recubrimiento de dióxido de manganeso y un electrolito en gel parecido al plexiglás. Su durabilidad ofrecía una posible respuesta a un problema persistente: los diminutos hilos, útiles para almacenar energía eléctrica, tienden a agrietarse con el uso repetido.
El descubrimiento también dio lugar a una afirmación llamativa: una futura batería de computadora portátil podría durar 400 años. Esa cifra se obtiene al convertir el número de ciclos del experimento en años, suponiendo una determinada frecuencia de uso. El logro real fue un electrodo de laboratorio que resistió 200.000 ciclos durante una prueba de tres meses.
Casi una década después del anuncio, el resultado con nanohilos sigue siendo una prueba de concepto realizada en laboratorio. Thai obtuvo después su doctorado y pasó a investigar baterías para el transporte eléctrico. Su experimento sigue atrayendo atención porque apunta a una forma de mantener intactos materiales frágiles de las baterías pese al uso repetido.
Cómo una fina capa de gel cambió el experimento
Thai, una investigadora estadounidense de origen vietnamita, estudiaba nanohilos cuando probó a añadir una fina capa de gel a la estructura experimental. Los electrodos siguieron funcionando cuando las pruebas superaron los 10.000 ciclos y, unos días después, los 30.000. Finalmente, las pruebas llegaron a 200.000 ciclos.
Reginald Penner, autor principal del estudio y entonces jefe del departamento de Química de la UCI, describió el descubrimiento inesperado en el anuncio de abril de 2016 de la universidad.
«Mya estaba experimentando y recubrió toda esta estructura con una capa de gel muy fina; luego empezó a someterla a ciclos», dijo Penner. «Descubrió que, con solo usar este gel, podía someterla a cientos de miles de ciclos sin perder capacidad».
Penner calificó el resultado de sorprendente porque estructuras comparables solían fallar después de entre 5.000 y 7.000 ciclos. En comparación con esos límites, los 200.000 ciclos del electrodo de la UCI equivalían a entre 29 y 40 veces más ciclos. Esa comparación describe la mejora respecto de las estructuras mencionadas por Penner.
Lo inesperado fue que el tratamiento con gel funcionara. Para comprobar su eficacia fue necesario realizar pruebas prolongadas: Thai siguió sometiendo el electrodo a ciclos durante meses y verificó si su rendimiento eléctrico o su estructura física se deterioraban.
Por qué los nanohilos necesitan protección
Los nanohilos son miles de veces más finos que un cabello humano. Conducen bien la electricidad y ofrecen una gran superficie en relación con su tamaño, por lo que resultan atractivos como elementos básicos para fabricar electrodos: las partes de una batería donde la carga se almacena y se libera mediante reacciones electroquímicas.
Las cargas y descargas repetidas someten estas estructuras a tensión. La UCI explicó que, durante el uso en una batería típica de iones de litio, los nanohilos pueden expandirse y volverse frágiles. Entonces pueden aparecer grietas que rompen el material que debe permanecer conectado para que el electrodo funcione eficazmente.
La estructura experimental de Thai tenía tres elementos principales. Un nanohilo de oro formaba el núcleo, el dióxido de manganeso lo rodeaba y un electrolito en gel cubría el conjunto. Un electrolito permite que las partículas cargadas llamadas iones se desplacen por un dispositivo de almacenamiento de energía.
Los investigadores propusieron que el gel plastificaba el óxido metálico. En términos sencillos, quizá hacía que el recubrimiento fuera más flexible y pudiera soportar el movimiento sin agrietarse. Mantener intacta la estructura ayudó al electrodo a conservar su rendimiento a lo largo de ciclos repetidos.
La UCI informó que, tras la prueba de tres meses, no se detectó pérdida de capacidad ni de potencia en el electrodo y tampoco se encontraron nanohilos fracturados. La capacidad indica cuánta carga eléctrica puede almacenar un dispositivo; la potencia indica con qué rapidez puede suministrar energía. Ambas son importantes para que una batería resulte útil.
Qué significan las cifras de rendimiento
También se describió que el experimento alcanzó una eficiencia coulómbica media del 94 al 96 por ciento. La eficiencia coulómbica compara la carga recuperada durante la descarga con la carga suministrada durante la carga. Un valor del 94 por ciento significa que se recuperaron unas 94 unidades de carga por cada 100 unidades suministradas.
La retención de capacidad y la eficiencia coulómbica describen aspectos diferentes del rendimiento. La retención de capacidad indica si la cantidad que puede almacenar un electrodo disminuye con el uso repetido. La eficiencia coulómbica mide la carga que entra y sale durante los ciclos. Un electrodo puede conservar su capacidad de almacenamiento y, al mismo tiempo, devolver menos carga de la que recibe.
Una configuración de nanobatería de Stanford desarrollada en 2007 había alcanzado anteriormente 40.000 ciclos. Los 200.000 ciclos de la UCI quintuplicaban esa cifra, aunque los dispositivos tenían configuraciones diferentes. Por eso, sus diseños y condiciones de prueba son importantes al comparar los resultados.
La comparación con una computadora portátil también resulta llamativa. Frente a los 300 a 500 ciclos que suelen atribuirse a una batería típica de computadora portátil, 200.000 equivalen a entre 400 y aproximadamente 667 veces más ciclos. Estas cifras explican el entusiasmo que despertó el experimento, pero el desarrollo comercial aún requiere una batería completa con capacidad adecuada, materiales apropiados, seguridad y costos de fabricación viables.
De dónde sale la estimación de 400 años
La estimación supone que una computadora portátil completa 1.000 ciclos de carga cada dos años, es decir, 500 ciclos al año. Al dividir 200.000 ciclos entre 500, se obtienen 400 años. Cada paso del cálculo es sencillo, pero la duración en años es una extrapolación a partir del resultado de laboratorio.
El electrodo de Thai alcanzó ese número de ciclos mediante pruebas continuas durante tres meses. Una batería de uso cotidiano también pasa tiempo parcialmente cargada, funciona a temperaturas variables y debe operar junto con otros componentes. Un producto terminado necesita probarse en las condiciones que encontrarán sus usuarios.
El objetivo práctico es prolongar el tiempo de uso antes de tener que reemplazar la batería. Para quien tiene una computadora portátil, eso podría significar conservar la misma batería durante una mayor parte de la vida útil del equipo. Para un fabricante de vehículos, podría significar un sistema de almacenamiento de energía que soporte más cargas y desplazamientos antes de necesitar un reemplazo.
Qué necesitaban entender aún los investigadores
En una actualización de mayo de 2016, la UCI describió el trabajo adicional para entender el recubrimiento de dióxido de manganeso. Los investigadores podían observar que el gel impedía que el material se fragmentara, pero seguían estudiando cómo cambiaba el propio material.
Penner, en calidad de autor principal y jefe del departamento de Química, explicó cuál era la siguiente tarea científica.
«Mya está realizando ahora varios estudios para entender mejor qué ocurre con el dióxido de manganeso. Sabemos que el gel impide que se fragmente, pero no sabemos si el material restante es diferente del que habría quedado sin el gel», dijo Penner.
Entender ese proceso es importante para reproducir el resultado y adaptarlo a otros materiales. Si los investigadores logran identificar qué propiedades del gel y del recubrimiento preservan el electrodo, podrán diseñar estructuras de forma más deliberada para que resistan cargas repetidas.
El trabajo se llevó a cabo en coordinación con el Centro de Investigación de Fronteras en Energía de la Universidad de Maryland, dedicado a las nanoestructuras para el almacenamiento de energía eléctrica. La financiación provino de la división de Ciencias Básicas de la Energía del Departamento de Energía de Estados Unidos.
De los nanohilos de oro a las baterías prácticas
El oro plantea un problema de costos para la producción a gran escala. Los investigadores han explorado alternativas más baratas, como el níquel, para avanzar hacia un diseño más económico. Sustituir el metal también exige comprobar si el electrodo resultante conserva la durabilidad de la estructura original.
Una batería comercial completa debe combinar una larga vida útil en ciclos con suficiente energía almacenada, potencia útil, seguridad fiable y un proceso de producción asequible. El resultado de la UCI abordó una debilidad específica de un electrodo experimental: el daño físico durante los ciclos repetidos. Convertir ese logro en un producto implica cumplir también todos esos otros requisitos.
La UCI señaló que entre las posibles aplicaciones figuran las computadoras, los teléfonos inteligentes, los electrodomésticos, los automóviles y las naves espaciales. Cada una exigiría cosas diferentes de una batería. Un teléfono necesita una fuente de energía compacta; un vehículo requiere un sistema mucho mayor, capaz de suministrar una potencia considerable; las naves espaciales necesitan un funcionamiento fiable en condiciones exigentes.
Más adelante, Thai se convirtió en científica principal de Enevate, una empresa estadounidense de tecnología de baterías, donde trabajó en baterías avanzadas para el transporte eléctrico. También solicitó patentes para otros inventos, incluida una tecnología destinada a retrasar la propagación térmica entre celdas. La propagación térmica ocurre cuando el calor de una celda averiada se extiende a las celdas cercanas.
En las informaciones sobre el trabajo no se ha anunciado una fecha de lanzamiento comercial para la tecnología de nanohilos de oro. La trayectoria posterior de Thai muestra que siguió trabajando en el desarrollo de baterías, incluidos los desafíos de durabilidad y seguridad que van más allá del experimento original.
Los hitos detrás del descubrimiento
La historia abarca un resultado anterior con una nanobatería, meses de ciclos de laboratorio y dos anuncios de la UCI en 2016. Reunir estos hitos ayuda a entender mejor la antigüedad y el alcance del descubrimiento.
- 2007: Una configuración diferente de nanobatería desarrollada por investigadores de Stanford alcanzó, según los informes, 40.000 ciclos.
- Durante el experimento de la UCI: El electrodo recubierto con gel de Thai superó primero los 10.000 y luego los 30.000 ciclos, antes de llegar a 200.000 en tres meses.
- 20 de abril de 2016: La UCI anunció el resultado y los hallazgos se publicaron en ACS Energy Letters.
- 16 de mayo de 2016: La UCI publicó una actualización sobre la investigación en curso acerca de cómo afectaba el gel al dióxido de manganeso.
- Después de obtener el doctorado: Thai se incorporó a la investigación de baterías en el sector privado y se convirtió en científica principal de Enevate.
Thai describió el resultado en términos de la mayor estabilidad física del electrodo y de la posibilidad de fabricar baterías duraderas. Como investigadora doctoral que dirigió el estudio, dijo:
«El electrodo recubierto conserva mucho mejor su forma, lo que lo convierte en una opción más fiable», dijo Thai. «Esta investigación demuestra que un electrodo de batería basado en nanohilos puede tener una larga vida útil y que podemos hacer realidad este tipo de baterías».
Puntos clave
- El electrodo de Mya Le Thai en la UCI completó 200.000 ciclos en tres meses sin que se detectaran pérdidas de capacidad o potencia ni nanohilos fracturados.
- El diseño combinaba nanohilos de oro, dióxido de manganeso y un electrolito en gel que, según los investigadores, ayudaba a evitar las grietas.
- Los hallazgos se publicaron en ACS Energy Letters el 20 de abril de 2016.
- La estimación de 400 años se basa en el supuesto de 500 ciclos al año; la prueba de laboratorio duró tres meses.
- El costo del oro y los requisitos de una batería completa siguen siendo aspectos centrales para el desarrollo comercial.
- Más adelante, Thai se convirtió en científica principal de Enevate y trabajó en baterías para el transporte eléctrico.
