Las baterías recargables de litio metálico se conocen desde hace cuatro décadas por ofrecer capacidades de almacenamiento de energía muy superiores a la tecnología actual de iones de litio de caballo de batalla que alimenta nuestros teléfonos inteligentes y computadoras portátiles. Pero estas baterías no son de uso común hoy en día porque, cuando se recargan, crecen espontáneamenteprotuberancias arbóreas llamadas dendritas en la superficie del electrodo negativo.
Durante muchas horas de funcionamiento, estas dendritas crecen hasta abarcar el espacio entre el electrodo negativo y el positivo, lo que provoca un cortocircuito y un peligro potencial para la seguridad.
La tecnología actual se centra en el manejo de estas dendritas colocando una barrera mecánicamente fuerte, normalmente un separador de cerámica, entre los electrodos negativo y positivo para restringir el movimiento de la dendrita. Sin embargo, la relativa falta de conductividad y fragilidad de tales barreras,significa que la batería debe funcionar a alta temperatura y es propensa a fallar cuando se rompe la barrera.
Pero un equipo de Cornell, dirigido por la profesora de ingeniería química y biomolecular Lynden Archer y la estudiante graduada Snehashis Choudhury, propuso en un estudio reciente que al diseñar membranas nanoestructuradas con dimensiones de poro por debajo de un valor crítico, es posible detener el crecimiento de las dendritas en litiobaterías a temperatura ambiente
"El problema con la cerámica es que esta solución de fuerza bruta compromete la conductividad", dijo Archer, director de William C. Hooey y profesor distinguido de ingeniería de la familia James A. Friend y director de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular Robert Frederick Smith.
"Esto significa que las baterías que usan cerámica deben funcionar a temperaturas muy altas - 300 a 400 grados Celsius [572 a 752 grados Fahrenheit], en algunos casos", dijo Archer. "Y el desafío obvio que trae es, cómo¿Lo pongo en mi iPhone? "
No, por supuesto, pero con la tecnología que el grupo Archer ha presentado, crear una batería de litio de metal altamente eficiente para un teléfono celular u otro dispositivo podría ser realidad en un futuro no muy lejano.
Archer reconoce que Choudhury identificó el polímero de óxido de polietileno como particularmente prometedor. La idea era aprovechar las nanopartículas "peludas", creadas por injerto de óxido de polietileno sobre sílice para formar materiales híbridos orgánicos a escala nanométrica NOHM, materiales que Archer y sus colegas tienenestado estudiando durante varios años para crear membranas nanoporosas
Para eliminar las dendritas, el PEO unido a nanopartículas se reticula con otro polímero, el óxido de polipropileno, para producir membranas mecánicamente robustas que se infiltran fácilmente con electrolitos líquidos. Esto produce estructuras con buena conductividad a temperatura ambiente y al mismo tiempo evita el crecimiento de la dendrita..
"En lugar de una 'pared' para bloquear la proliferación de las dendritas, las membranas proporcionaron un medio poroso a través del cual pasan los iones, siendo los poros lo suficientemente pequeños como para restringir la penetración de la dendrita", dijo Choudhury. "Con este electrolito nanoestructurado, hemos creado materiales con buena resistencia mecánica y buena conductividad iónica a temperatura ambiente ".
El grupo de Archer trazó el rendimiento de sus nanopartículas reticuladas frente a otros materiales de trabajos publicados anteriormente y determinó que "con este diseño de membrana, podemos suprimir el crecimiento de la dendrita de manera más eficiente que cualquier otra cosa en el campo. Eso es un logro importante", dijo Archer.
Una de las mejores cosas de este descubrimiento, dijo Archer, es que es una "solución directa", lo que significa que la tecnología de la batería no tendría que modificarse radicalmente para incorporarla.
"La membrana se puede incorporar con baterías en una variedad de factores de forma, ya que es como una pintura, y podemos pintar la superficie de los electrodos de cualquier forma", agregó Choudhury.
Esta solución también abre la puerta a otras aplicaciones, dijo Archer.
"Las estructuras que Snehashis ha creado pueden ser tan efectivas con baterías basadas en otros metales, como sodio y aluminio, que son más abundantes en la tierra y menos costosas que el litio y también están limitadas por las dendritas", dijo Archer.
El artículo del grupo, "Una batería de litio metal altamente reversible a temperatura ambiente basada en nanopartículas peludas reticuladas", se publicó el 4 de diciembre Comunicaciones de la naturaleza . Los cuatro miembros del grupo, incluidos los estudiantes de doctorado Rahul Mangal y Akanksha Agrawal, contribuyeron al documento.
El trabajo del grupo Archer fue apoyado por la División de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias y por una subvención de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah en Arabia Saudita. La investigación hizo uso de la Fuente de Sincrotrón de Alta Energía de Cornell, que también es apoyadapor la NSF.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Cornell . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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