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Física

La energía del germanio

Un nuevo material podría incrementar la durabilidad y la seguridad de las baterías de litio

Una película con germanio presentó una conductividad 10 veces mayor que la de los dispositivos actuales

Andre Luiz Martins de Freitas y Karen Bedin Cristina/ UFABC

Flexible, delgada y transparente como el filme plástico que se usa para envolver a las frutas antes de guardarlas en la heladera, una película a base de ácido cítrico y germanio desarrollada por científicos de São Paulo podría incorporarse a las baterías recargables de iones de litio, que proveen la energía necesaria para su funcionamiento a los teléfonos celulares, a las computadoras portátiles y a los automóviles eléctricos, mejorando su rendimiento. El nuevo material se utilizaría para fabricar electrolitos sólidos que ocuparían el sitio de sus pares actuales, fabricados con polímeros a base de carbono, que constituyen el relleno de las baterías y se encargan de conducir la electricidad entre los electrodos (o polos) positivo y negativo. Según los físicos e ingenieros de la Universidad Federal del ABC (UFABC), en Santo André, en el Gran São Paulo, y del Laboratorio Nacional de Nanotecnología, en Campinas, que concibieron el nuevo material, los electrolitos a base de germanio permitirían reducir significativamente el tiempo de carga y aumentar la durabilidad de las baterías, además de reducir el riesgo de explosión y derrame de las mismas.

Los investigadores aún no instalaron un electrolito con germanio en una batería recargable para medir su desempeño real, pero compararon sus propiedades con las de los materiales utilizados en esos dispositivos y obtuvieron resultados alentadores. La conductividad del electrolito con germanio fue 10 veces mayor que la de las batería actuales, un indicador de que los iones (átomos eléctricamente cargados) de litio se mueven a una velocidad 10 veces mayor entre los polos del dispositivo. En las baterías recargables, la corriente eléctrica se genera cuando los iones de litio se desplazan desde el polo negativo hacia el positivo. En el proceso de recarga, el movimiento es en sentido contrario.

Tal como se describe en un artículo que salió publicado en noviembre de 2019 en la revista Journal of Physical and Chemical Letters, la energía de interacción –que indica la capacidad de retención de otros elementos químicos por las cadenas de carbono del electrolito– medida en el electrolito con germanio fue de 0,12 electronvoltios (eV). Cuanto menor es la energía de interacción, mayor es la movilidad de los iones de litio en las baterías. “La energía de interacción del germanio es la menor que se haya obtenido a nivel mundial”, expresa el físico Flávio Leandro de Souza, docente de la UFABC e investigador del LNNano, uno de los autores del trabajo. Según él, el valor promedio de ese parámetro en los electrolitos actuales es de 0,9 eV y en los conductores cristalinos líquidos experimentales, de 0,5 eV.

Souza halló la pista de este nuevo material hace 10 años, cuando hacía el doctorado en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), bajo la conducción de Edson Leite. En una de las etapas de la preparación de nanopartículas metálicas con silicio para su uso como catalizadores químicos, él observó la formación de un material transparente, entonces sustituyó uno de los elementos metálicos del catalizador, el níquel, por litio, y notó que el material se tornaba conductor. “Químicamente, a temperatura ambiente, es un material sólido con propiedades conductoras similares a las del vidrio”, dice. Más tarde, bajo su conducción, la ingeniera en energía Victória Castagna Ferrari, de la UFABC, reemplazó el silicio por germanio y obtuvo resultados aún mejores.

Premio Nobel
En 2019, la importancia de las baterías de litio fue reconocida con el Premio Nobel de Química concedido a sus inventores –el físico estadounidense John Goodenough, de la Universidad de Texas en Austin, Estados Unidos; el químico inglés Michael Stanley Whittingham, de la Universidad de Binghamton, en el Reino Unido; y el químico japonés Akira Yoshino, de la Universidad Meijo, de Japón–, quienes trabajaron en esos dispositivos desde la década de 1970. Esas baterías, utilizadas en los teléfonos celulares a partir de la década de 1990, aún son inflamables, como por ejemplo, cuando uno se lo olvida expuesto al sol durante muchas horas seguidas. Hay grupos de investigación en todo el mundo abocados a la búsqueda de materiales que resuelvan ese problema y aumenten la eficiencia de esos dispositivos. En un artículo publicado en octubre de 2019 en la revista Chemical Communications, científicos de la Universidad John Hopkins, en Estados Unidos, describieron un material polimérico, a base de derivados del ácido acrílico, cuya presentación también es bajo la forma de un filme transparente. Si ese nuevo material mejora las propiedades electrónicas y mecánicas de las baterías, eso se traducirá en un menor tiempo de carga en el tomacorriente y también un menor riesgo de explosión o derrame.

Aquello que se denomina ventana de estabilidad electroquímica –el límite dentro del cual el dispositivo puede funcionar sin degradarse– del material de la John Hopkins es de hasta 4,1 voltios (V), mientras que la del electrolito con germanio llega a 5,2 V, ambos por encima del rendimiento de las baterías en uso, que llega hasta 3 V. “Cuanto mayor es esa ventana, más estable es el material y menor el riesgo de descomponerse y causar explosiones”, comenta el químico Roberto Torresi, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), quien no intervino en el estudio con el germanio. Según él, ya están en desarrollo electrodos de hasta 5 V. “No obstante, para que funcionen sin explotar, estos electrodos requieren electrolitos con una ventana de estabilidad de 5 V”, añade. Grupos de investigación estadounidenses y chinos incorporaron el germanio en los electrodos para elevar la eficiencia energética de las baterías. En un estudio que salió publicado en febrero de 2020 en la revista Nano Energy, un equipo de la Universidad Purdue, en Estados Unidos, describe un ánodo –o polo negativo– fabricado con germanio, estroncio y selenio.

Proyecto
Interfaces en materiales: Propiedades electrónicas, magnéticas, estructurales y de transporte (nº 17/02317-2); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Adalberto Fazzio (UFABC); Inversión R$ 3.789.844,75

Artículos científicos
FERRARI, V. C. et al. Controlling the activation energy for single-ion diffusion through a hybrid polyelectrolyte matrix by manipulating the central coordinate semimetal atom. Journal of Physical and Chemical Letters. v. 10, n. 24, p. 7684-7689. 25 nov. 2019.
RODRIGUEZ,  J. R. et al. Ge2Sb2Se5 glass as high-capacity promising lithium-ion battery anode. Nano Energy. v. 68. 104326. feb. 2020.

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