Construyendo una mejor batería

Los científicos saben qué hace que las baterías de iones de litio liberen energía para alimentar nuestros teléfonos, dispositivos, automóviles... nuestras vidas. Los átomos de litio cargados, llamados iones, se mueven a través de un electrolito líquido hacia capas de grafito, lo que permite que los electrones fluyan y alimenten los dispositivos. Ese proceso se llama intercalación.

Pero los científicos no entienden mucho sobre el proceso, dijo Scott Warren, profesor asociado en el departamento de química de la Facultad de Artes y Ciencias. “¿Cómo entra y sale el litio del grafito? ¿Cómo se carga? ¿Cómo se descarga?

Respuestas a esas preguntas es lo que Miguel Reyna, estudiante de química de Fayetteville, Carolina del Norte, busca en el laboratorio de Warren. Una beca de verano para investigación de pregrado de $5,000 respalda la investigación de Reyna.

Reyna está mirando la intercalación, que produce múltiples colores. "Rojo, naranja, amarillo, azul, morado: un color para cada etapa distinta de esa transformación", dijo Warren. “Esas etapas no han sido completamente caracterizadas. ¿Qué está pasando en cada una de esas etapas?

Al reproducir consistentemente las etapas y analizarlas, Reyna espera contribuir a la comprensión de los investigadores sobre las baterías y ayudar a mejorarlas. Uno de los objetivos es almacenar más litio en las baterías para aumentar la energía necesaria para una carga más prolongada.

“Es como intentar aprovechar al máximo el cajón de un archivador. El litio es el papel. Tenemos un cajón lleno de carpetas y nos preguntamos cuántos papeles cabemos y aún funciona”, dijo Reyna.

Poner demasiado litio en el mismo espacio para aumentar el voltaje o la energía, dijo Warren, podría hacer que la batería se hinche, tenga fugas, se agriete o sufra reacciones químicas no deseadas.

Reyna comienza sus experimentos construyendo un dispositivo basado en la anatomía de las baterías domésticas con dos electrodos: uno positivo y otro negativo. Almacenan y liberan iones de litio mientras se cargan y descargan, como una esponja que absorbe agua y luego la libera cuando se aprieta. Un electrolito, generalmente un líquido que contiene sal de litio disuelta, conduce o permite que los iones de litio fluyan entre los electrodos para almacenar y producir energía eléctrica.

Un portaobjetos de laboratorio de vidrio es la base del dispositivo. Reyna utiliza una máquina de pulverización para cubrir el portaobjetos con una capa brillante de titanio, delgada como una pompa de jabón. Pega un marco de teflón (piense en un marco de ventana rectangular en miniatura) en el tobogán con epoxi. Con unas pinzas largas, coloca una capa de grafito delgada como un cabello humano dentro del marco y luego aplica un medidor de voltaje para asegurarse de que conduzca la electricidad.

Después de que el epoxi fragua en tres días, se pasa a un espacio de trabajo llamado guantera que está desprovisto de oxígeno. Reyna coloca el dispositivo en la caja a través de una esclusa de aire, luego mete la mano dentro con guantes de goma largos que están sujetos a los agujeros de la caja para sostener la diapositiva. Agrega litio en forma líquida y sella el dispositivo.

Luego coloca el dispositivo bajo un microscopio óptico para comprobar su calidad. Si es estructuralmente sólido, comienza a grabar en vídeo la intercalación durante cuatro horas. Aquí es donde espera ver las etapas migratorias en colores.

Sus objetivos son reproducir consistentemente el dispositivo y el experimento y ver un patrón de progresión mostrado en muchos experimentos. "Espero perfeccionar este dispositivo para que podamos ver los colores perfectamente". Una vez que vea el patrón de manera consistente, el equipo puede usar otros métodos de imágenes para aprender más sobre la intercalación.

"Si podemos entender los fundamentos, podríamos descubrir cómo hacerlo más eficiente, tal vez aportar algo de innovación a las baterías", dijo Reyna.