El dióxido de titanio (TiO2) podría desempeñar un papel vital en el desarrollo de la próxima generación de baterías recargables.

Las baterías son el futuro. Desde el aumento de los vehículos eléctricos hasta el almacenamiento de energía en una escala de cuadrícula, para permitir el movimiento hacia una energía más renovable, el impulso de baterías mejores y duraderas nunca ha sido mayor.

Crear baterías tan duraderas con mayor capacidad no es sencillo, y quedan varios problemas que superar. Aunque lejos de ser una solución lista para uso comercial, la investigación ha demostrado que el dióxido de titanio podría desempeñar un papel importante en el futuro de las baterías, en particular las recargables.

Lithium ion batteries

Most batteries that are used for storing large amounts of energy or designed to be recharged are lithium ion batteries.

These batteries store and release energy by moving ions between the negative and positive ‘ends’ (electrodes) through a chemical called the electrolyte. When you charge the battery, the ions move towards the negative electrode. When the battery is being used, the ions flow towards the positive electrode, generating an electric current.

In normal batteries, the process that takes place to generate an electrical charge can only happen once and in one direction. In rechargeable lithium ion batteries, however, the chemical process is reversible to allow the battery to be used again.

¿Por qué dióxido de titanio?

Desde el reemplazo de los electrodos en baterías nuevas, hasta acelerar el proceso de carga, el dióxido de titanio (TiO2) ha demostrado ser útil de varias maneras.

"Hay algunas características sobre TiO2 que son útiles para las baterías recargables", dice el profesor Colm O’Dwyer, de la Universidad de Cork, Irlanda, que ha realizado investigaciones sobre el tema.

“Primero, permite una reacción reversible con litio que es relativamente estable en comparación con el grafito que contiene litio que se encuentra en varios electrolitos de batería. Debido a que puede andar en bicicleta durante mucho tiempo, posiblemente sea de alguna manera para reducir la necesidad de reciclar las baterías ".

La capacidad de recargar baterías es cada vez más importante para el creciente número de dispositivos electrónicos móviles que se utilizan, y también en el cambio a formas de energía renovables donde la producción de energía solar o eólica variable se puede suavizar a través de un almacenamiento de energía eficiente.

Baterías de nanotubas

En 2015, un equipo de investigadores de la Universidad de Tecnología Nanyang (NTU) de Singapur desarrolló un método para transformar las nanopartículas de dióxido de titanio en nanotubos con agitación. Estos pequeños tubos, una milésima parte del ancho de un cabello humano, se crean mediante un método de agitación que alarga las partículas en forma de tubo.

Se colocó un gel que contenía los nanotubos en el electrodo negativo de una batería de iones de litio, en lugar del grafito tradicional. Esto aceleró la reacción química en el electrolito, creando una batería que se puede recargar al 70 por ciento de su capacidad en solo dos minutos, con una vida útil esperada de 20 años. Esto significa que los desechos de las baterías podrían reducirse drásticamente.

A medida que se usan baterías, los materiales en ellas comienzan a separarse; Esto es lo que causa la reducción en el rendimiento. Pero, como descubrieron el profesor O'Dwyer y su equipo en 2015, cuando se agregó una versión porosa de dióxido de titanio a una batería de iones de litio, los materiales de la batería permanecieron intactos después de cargar y descargar más de 5 000 veces.

"Esta disposición 3D de nanopartículas de la fase rutilo del dióxido de titanio se llama" ópalo inverso "y se forma al llenar ópalos artificiales hechos en el laboratorio con el material de batería activa", dice el profesor O’Dwyer.

“Las estructuras de opal inversas se encuentran naturalmente en la naturaleza. Estas estructuras periódicamente porosas constituyen las coloridas partes iridiscentes de las alas de mariposa, las plumas de pavo real, las estructuras exo-esqueléticas de los gorgojos y el ratón marino, por nombrar algunas ".

En una batería, la versión porosa del dióxido de titanio es conductor, sin necesidad de aditivos que actualmente se usan en electrodos de batería comercial.

Además de esto, el litio reacciona eficientemente con la estructura porosa, lo que significa que la batería se recarga rápidamente.

Las baterías de litio que contienen TiO2 pueden denominarse baterías de iones de litio basadas en titanato de litio (LTO). Además de las mejoras de carga y la vida útil más larga, las baterías de litio basadas en LTO también son más seguras ya que los componentes de la batería son más estables.

Más allá del litio

Pero no se trata solo de iones de litio.

Cuando un ion de litio se abre paso de un electrodo a otro, se transfiere un electrón. Sin embargo, los investigadores han comenzado a experimentar con otros metales, conocidos como metales multivalentes, en el que se transfieren dos o más electrones para cada ion. La naturaleza más eficiente de la reacción podría aumentar el almacenamiento de la batería en dos o tres veces.

El único problema es resolver qué tipo de materiales deben usarse para los componentes de estas baterías.

La investigación publicada en septiembre en 2015, por un equipo que incluye al Dr. Benjamin Morgan, del Departamento de Química de la Universidad de Bath, Inglaterra, descubrió que reemplazar el electrodo negativo con TiO2 puede permitir que una batería multivalente funcione.

Esto se debe a que el TiO2 se puede adaptar para introducir defectos deliberadamente, que proporcionan un espacio para iones como magnesio y aluminio (iones multivalentes) para llenar, transfiriendo más de un electrón cada vez.

El efecto de esto en una batería es que podría almacenar más energía que la batería de iones de litio de tamaño equivalente.

"Hay bastantes obstáculos técnicos que superar, incluida la búsqueda de materiales que sean buenos electrodos para iones multivalentes", dijo el Dr. Morgan en ese momento. "A largo plazo, esta prueba de concepto es un posible paso hacia las baterías" más allá del litio "con un rendimiento superior".

Discutiendo la investigación sobre nuevos materiales de batería que podrían tener múltiples aplicaciones, desde dispositivos móviles hasta almacenamiento de la red energética, el Dr. Morgan dijo que las baterías más eficientes serían "cada vez más importantes a medida que nos alejemos de los combustibles fósiles y adoptamos fuentes de energía más verdes".

El futuro

Una ventaja del uso de TiO2 en las baterías del futuro es que es abundante.

Además de esto, "la forma de TiO2, después de reaccionar con el ciclo de litio tras el ciclo, es muy estable en muchos electrolitos de batería para un uso largo de por vida", dice O’Dwyer.

Pero quedan algunos desafíos. "TiO2 como ánodo (electrodo positivo) tiene un voltaje más alto que el grafito utilizado actualmente", dice O’Dwyer.

Generalmente se prefiere un voltaje más bajo porque esto le permite maximizar el voltaje de salida de la batería. “No todas las baterías recargables requieren esto; La longevidad de la operación estable también puede ser importante para algunas aplicaciones ".

Entonces, cuando se trata de TiO2, incluso si se puede desarrollar para uso comercial, puede no ser la respuesta a todos los problemas de batería recargables, pero podría ser la solución para algunos.

"Puede que no sea la opción óptima para baterías de alta densidad de energía para vehículos eléctricos, por ejemplo", dice el profesor O'Dwyer.

Pero agrega que usar TiO2 sería de valor para las baterías en otras aplicaciones, como en computadoras portátiles o teléfonos, "donde la recarga de larga vida es importante".

Fuentes: www.tdma.info