Ánodo de grafito

Material del ánodo de grafito

¿Por qué elegir grafito para los ánodos?

El grafeno es uno de los materiales anódicos más utilizados en las baterías de iones de litio debido a su elevada conductividad electrónica, tanto en masa como en superficie, y a su estabilidad electroquímica durante los procesos de intercalación y desintercalación que implican la (des)inserción de iones de litio durante el ciclo. Esto es importante para las baterías de larga duración, ya que significa que los iones de litio pueden llenar una estructura de grafeno sin dañarla. Además, grafito es mucho menos pesado y químicamente inerte que, por ejemplo, el acero u otra sustancia. De hecho, se prefiere un ánodo de grafito a otros electrodos inertes.

La importancia de la conductividad

La razón de elegir grafito para el ánodo es que es un buen conductor; durante el proceso de carga o descarga, los electrones pueden moverse libremente en el grafito. Esto preservará la carga de la batería para suministrar energía a todos los mecanismos que dependen de ella. Esto es fundamental, ya que sin la increíble conductividad del grafito, una batería no podría funcionar.

El grafito en las pilas de iones de litio

Los ánodos de grafito son indispensables para las baterías de iones de litio. Durante la carga, los iones de litio se intercalan entre las capas de grafito. Al descargarse, vuelven al cátodo, donde este movimiento genera una corriente eléctrica que puede utilizarse para alimentar los aparatos. La capacidad del grafito para almacenar de forma reversible grandes cantidades de energía eléctrica lo convierte en un depósito indispensable para almacenar y liberar electricidad en las baterías de iones de litio.

Batería de iones de litio frente a batería de grafeno

La diferencia más significativa que separa las baterías de grafeno de las de iones de litio radica en el material del ánodo. A diferencia de las baterías de iones de litioAlgunas nuevas tecnologías utilizan silicio (en lugar de grafito) como material anódico. El grafito gana en duración de ciclo, mientras que el silicio lo hace en densidad de energía potencial. El problema, sin embargo, es que los ánodos de silicio desprenden un desagradable oleaje durante la carga, lo que provoca daños estructurales fatales en los paquetes de baterías. Aun así, el grafito es el material más común, a caballo entre el rendimiento y la fiabilidad.

Proceso de electrólisis del ánodo de grafito

Durante los procesos de carga y descarga de las baterías de iones de litio, se produce una reacción electroquímica en el ánodo de grafito. A nivel celular en el ánodo la batería funciona por electrólisis, donde los iones de litio cargados pasan al interior y son capturados en el grafito. Con la liberación de iones en la descarga, estos iones fluyen una vez más hacia el cátodo, liberando energía. También es reversible, lo que le permite recargar la batería innumerables veces antes de que haga grave a su ánodo de grafito.

Comparación entre el ánodo de grafito y el de silicio

La mayor capacidad teórica de los ánodos de silicio (en comparación con los típicos de grafito) ha despertado cierto interés por este material. El uso de silicio en lugar de grafito es ventajoso, ya que tiene una mayor capacidad de almacenamiento de iones de litio y, por tanto, puede aumentar la densidad energética de la batería. Pero el silicio tiene un gran inconveniente: se hincha y encoge drásticamente a medida que la batería se carga y descarga. Cuando esto ocurre, el ánodo se hincha, lo que suele provocar que se agriete y acabe fallando. En cambio, el grafito puede mantener su estructura durante muchos ciclos de carga y descarga, lo que lo hace más duradero y fiable para una aplicación a largo plazo. Aunque los ánodos basados en silicio podrían ser el futuro de las baterías de alta capacidad, la mayoría de las aplicaciones siguen confiando en el viejo y buen grafito.

Cátodo de grafito frente a ánodo

En una batería de iones de litio se intercambian los papeles de ánodo y cátodo. Durante la carga, los iones de litio viven en el ánodo, mientras que durante la descarga se desprenden en el cátodo. En la práctica, el ánodo es un grafito debido a sus propiedades químicas respecto a la intercalación del litio. En cambio, se utilizan otros materiales en el cátodo - óxido de litio y cobalto o fosfato de hierro, por ejemplo- que son mejores tanto para dejar entrar como para capturar esos iones. Por eso, para entender el funcionamiento de una pila, hay que pensar en el ánodo y el cátodo según su identidad.

Proceso de fabricación de ánodos de grafito

La primera es que hay que limpiar el grafito de la materia prima y eliminar impurezas como silicio, hierro u oxígeno extraído. A continuación, el grafito se mezcla con aglutinantes para formar una pasta. A continuación, esta pasta se recubre con un rodillo sobre una lámina de cobre, que sirve de colector de corriente. A continuación, este material se seca y se compacta de manera que tenga un grosor uniforme en toda su superficie, una vez recubierta la capa de relleno. Los ánodos se calientan a altas temperaturas para que adquieran sus propiedades electroquímicas. Se cortan con las formas y tamaños necesarios, finalizados para su inclusión en las baterías.

¿Por qué el ánodo es de grafito y no de acero?

El material de acero tiene una baja conductividad para la electricidad, por lo que el litio no puede intercalarse en el acero. Eso reduciría mucho el rendimiento de la batería. En cambio, el grafito es muy buen conductor y puede tolerar el movimiento de iones de litio sin demasiada ruptura. El grafito también es un candidato excelente para los ánodos de las baterías si se tiene en cuenta tanto el peso como la estabilidad química/resistencia a la corrosión, más que materiales como el acero.

Aplicaciones de los ánodos de grafito

Los ánodos de grafito tienen múltiples aplicaciones además de las baterías de iones de litio. Se emplean en reacciones electroquímicas como la electrólisis del agua, en la que ayudan a dividir el agua en hidrógeno y oxígeno utilizando grafito. Los ánodos de grafito también se utilizan en otros tipos de baterías (como la batería de iones de sodio) y en el almacenamiento de energía. El ánodo de grafito sintético es un material clave en esta transición hacia las energías renovables porque nos permite almacenar la naturaleza intermitente de las renovables, como la solar y la eólica.