Las baterías dan un salto gracias a los nanomateriales: son más pequeñas que un cabello humano

Las baterías son más importantes que nunca. No solo están presentes en la mayoría de dispositivos electrónicos que utilizamos (ordenadores portátiles, teléfonos móviles, relojes inteligentes y auriculares Bluetooth, por mencionar unos pocos ejemplos), sino que juegan un papel crucial en la transición energética. Si se quiere abandonar los combustibles fósiles y abrazar las energías renovables, se debe disponer de sistemas de almacenamiento energéticos. Y cuanto más grandes y eficientes, mejor.

Prácticamente, cada día que pasa hay alguna que otra novedad sobre baterías. Casi siempre, relacionadas con mejoras en la recarga, en su reciclaje o en su fabricación. Las más utilizadas actualmente son las de iones de sodio, ya que tienen una buena densidad energética y una vida útil bastante larga. Sin embargo, también se están investigando mucho las de iones de sodio, por ser más económicas de fabricar y resistir mejor las frías temperaturas, y las de estado sólido.

Un grupo de investigadores de la Universidad de Drexel, ubicada en Filadelfia (Pensilvania) ha desarrollado una nueva forma de remodelar los MXenes —una clase de nanomateriales altamente conductores, en estructuras unidimensionales que podrían mejorar las baterías, los biosensores y la electrónica portátil. Estos nanomateriales podrían ser 100 veces más delgados que un cabello humano.

Los MXenes destacan por su alta conductividad eléctrica y capacidad para el almacenamiento de energía

Los investigadores desarrollaron un proceso escalable que enrolla láminas planas biodimensionales de MXene en estructuras tubulares ultradelgadas conocidas como nanoscrolls de MXene. Estos rollos son aproximadamente 100 veces más delgados que un cabello humano y conducen la electricidad de manera más eficiente que sus contrapartes planas.

Los MXenes son una familia de nanomateriales bidimensionales compuestos por finas capas de carburos, nitruros o carbonitruros de metales de transición, como el titanio o molibdeno, que destacan por su alta conductividad eléctrica, superficie hidrofílica y capacidad para el almacenamiento de energía ultrarápida. Por todo esto, son ideales para baterías, supercondensadores y blindaje electromagnético.

Si bien los MXenes llevan mucho tiempo interesando a la comunidad científica por sus propiedades, la producción de estructuras MXene unidimensionales de alta calidad suponía un desafío. Aunque las estructuras planas funcionan bien en muchos sistemas, las unidimensionales ofrecen ventajas en aplicaciones que requieren transporte rápido o refuerzo mecánico.

Yury Gogotsi, doctor de la Universidad Distinguida y profesor de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, afirmó que "la morfología bidimensional es fundamental en muchas aplicaciones. Sin embargo, existen aplicaciones donde la morfología unidimensional es superior". Añadió que "es como comparar láminas de acero con tubos de metal o barras de refuerzo".

Al enrollar las láminas de MXene en tubos, el equipo creó estructuras huecas que permiten que los iones se muevan con mayor libertad. Estos tubos también pueden reforzar polímeros o metales, manteniendo la conductividad. El equipo probó el método en seis MXenes diferentes, incluidos carburo de titanio, carburo de niobio, carburo de vanadio, carburo de tantalio y carbonitruro de titanio, y cada uno produjo resultados consistentes.

Mientras que los métodos anteriores solían generar estructuras irregulares o dañadas, la nueva técnica permitió a los investigadores producir hasta 10 gramos de nanopergaminos con forma y composición controladas. El equipo también descubrió que los campos eléctricos pueden controlar la orientación de los nanopergaminos en solución. Esto podría ayudar a alinearlos dentro de fibras o textiles.