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(Noticias de Nanowerk) En las últimas décadas, la investigación sobre baterías se ha centrado en gran medida en las baterías recargables de iones de litio, que se utilizan en todo, desde automóviles eléctricos hasta dispositivos electrónicos portátiles, y han mejorado drásticamente en términos de asequibilidad y capacidad. Pero las baterías no recargables han experimentado pocas mejoras durante este tiempo, a pesar de su papel crucial en muchas aplicaciones importantes, como los dispositivos médicos implantables, como los marcapasos.
Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una manera de mejorar la densidad de energía de estas baterías no recargables o «primarias». Dicen que podría proporcionar hasta un 50 por ciento de aumento en la vida útil, o una reducción equivalente en tamaño y peso, para una determinada cantidad de potencia o capacidad energética, al tiempo que mejora la seguridad, a un costo mínimo o nulo.
Los nuevos hallazgos, que reemplazan el electrolito de batería tradicionalmente inactivo con un material activo para el suministro de energía, se informan en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias («Catolitos de fluoro-organosulfuro para aumentar la energía de la batería primaria de litio»), en un artículo del MIT Kavanaugh Postdoctoral Fellow Haining Gao, el estudiante graduado Alejandro Sevilla, el profesor asociado de ingeniería mecánica Betar Gallant y otros cuatro en MIT y Caltech.
![Una serie de imágenes de lapso de tiempo muestra una batería completamente descargada durante un período de días.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61790_1.jpg)
Reemplazar la batería de un marcapasos u otro implante médico requiere cirugía, por lo que cualquier aumento en la vida útil de sus baterías podría tener un impacto significativo en la calidad de vida del paciente, dice Gallant. Las baterías primarias se utilizan para aplicaciones tan esenciales porque pueden entregar aproximadamente tres veces la energía de las baterías recargables para un tamaño y peso dados.
Esta diferencia de capacidad, dice Gao, hace que las baterías primarias sean «cruciales para aplicaciones donde la carga no es posible o práctica». Los nuevos materiales funcionan a la temperatura del cuerpo humano y, por lo tanto, serían adecuados para implantes médicos. Además de los dispositivos implantables que evolucionan para permitir que las baterías funcionen de manera eficiente en temperaturas más frías, las aplicaciones también podrían incluir sensores en los dispositivos de seguimiento de envíos, por ejemplo, para garantizar que los requisitos de temperatura y humedad para los envíos de alimentos o medicamentos se mantengan adecuadamente durante todo el proceso de envío. O se utilizan en aeronaves a control remoto o vehículos submarinos que deben permanecer operativos durante largos períodos de tiempo.
Las baterías de los marcapasos suelen durar entre cinco y diez años, e incluso menos cuando requieren funciones de alto voltaje, como la desfibrilación. Pero para tales baterías, dice Gao, la tecnología se considera madura y «no ha habido ninguna innovación importante en la química celular básica en los últimos 40 años».
La clave de la innovación del equipo es un electrolito novedoso: el material que se encuentra entre los dos polos eléctricos de la batería, el cátodo y el ánodo, y permite que los portadores de carga pasen de un lado a otro. Usando un nuevo compuesto fluorado líquido, el equipo descubrió que podían combinar algunas de las funciones del cátodo y el electrolito en un solo compuesto, llamado catolito. Esto permite ahorrar gran parte del peso de las baterías primarias típicas, dice Gao.
![batería convencional y batería hecha de material de “catolito” fluorado](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61790_2.jpg)
Además de este nuevo compuesto, aunque hay otros materiales que teóricamente podrían desempeñar un papel de catolito similar en una batería de alta capacidad, explica Gallant, estos materiales tienen tensiones residuales más bajas que no coinciden con las del resto del material en un batería de marcapasos tradicional, un tipo conocido como CFx. Dado que la capacidad total de la batería no puede ser mayor que la del menor de los dos materiales de electrodo, se desperdiciaría la capacidad adicional debida a la desviación de voltaje. Pero con el nuevo material, «una de las principales ventajas de nuestros líquidos fluorados es que su tensión coincide muy bien con la de CFx», dice Gallant.
En una batería CFx tradicional, el electrolito líquido es esencial ya que permite que las partículas cargadas pasen de un electrodo al otro. Pero «estos electrolitos son en realidad químicamente inertes, por lo que básicamente son un peso muerto», dice Gao. Esto significa que alrededor del 50 por ciento de los componentes clave de la batería, principalmente el electrolito, es material inactivo. Pero en la nueva construcción con el material de catolito fluorado, el peso muerto se puede reducir a alrededor del 20 por ciento, dice ella.
Las nuevas celdas también ofrecen mejoras de seguridad en comparación con otros tipos de productos químicos propuestos que utilizarían materiales de catolito tóxicos y cáusticos, lo que no hace su fórmula, dice Gallant. Y las pruebas preliminares han mostrado una vida útil estable durante más de un año, una característica importante para las baterías primarias, dice.
Hasta ahora, el equipo no ha logrado experimentalmente la mejora total del 50 por ciento en la densidad de energía prevista por su análisis. Han mostrado una mejora del 20 por ciento, lo que en sí mismo sería una gran victoria para algunas aplicaciones, dice Gallant. El diseño de la celda en sí aún no está completamente optimizado, pero los investigadores pueden predecir el rendimiento de la celda en función del rendimiento del material activo en sí. «Podemos ver que el rendimiento a nivel de celda pronosticado cuando se amplía puede ser aproximadamente un 50 por ciento más alto que el de la celda CFx», dice. Alcanzar este nivel de forma experimental es el próximo objetivo del equipo.
Sevilla, estudiante de doctorado en Ingeniería Mecánica, se centrará en este trabajo durante el próximo año. «Me trajeron a este proyecto para tratar de comprender algunas de las limitaciones de por qué no pudimos obtener la densidad de energía total posible», dice. «Mi papel era llenar los vacíos en la comprensión de la respuesta subyacente».
Un beneficio importante del nuevo material, dice Gao, es que se puede integrar fácilmente en los procesos de fabricación de baterías existentes como una simple sustitución de un material por otro. Las discusiones preliminares con los fabricantes confirman esta sustitución potencialmente fácil, dice Gao. La materia prima básica utilizada para otros fines ya se ha ampliado para la producción, dice, y su precio es comparable al de los materiales que se utilizan actualmente en las baterías CFx. El costo de las baterías que usan el nuevo material también debería ser comparable a las baterías existentes, dice ella. El equipo ya solicitó una patente para el catolito y espera que las aplicaciones médicas sean probablemente las primeras en comercializarse, posiblemente con un prototipo a gran escala listo para probarse en dispositivos reales dentro de aproximadamente un año.
Más adelante, es probable que otras aplicaciones se beneficien de los nuevos materiales, como medidores inteligentes de agua o gas que se pueden leer de forma remota, o dispositivos como los transpondedores EZPass, lo que aumenta su vida útil, dicen los investigadores. La energía para aviones no tripulados o vehículos submarinos requeriría una mayor potencia y, por lo tanto, podría llevar más tiempo desarrollarla. Otras aplicaciones podrían incluir baterías para dispositivos utilizados en lugares remotos como B. Plataformas de petróleo y gas, incluido el equipo enviado a los pozos para monitorear las condiciones.
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