Un gran problema que enfrentan los electrodos en las baterías recargables, a medida que pasan por ciclos repetidos de carga y descarga, es que deben expandirse y encogerse durante cada ciclo, a veces duplicando su volumen y luego reduciéndose. Esto puede conducir a repetidaseliminación y reforma de su capa de "piel" que consume litio de manera irreversible, degradando el rendimiento de la batería con el tiempo.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT y la Universidad de Tsinghua en China ha encontrado una forma novedosa de resolver este problema: crear un electrodo hecho de nanopartículas con una cubierta sólida y una "yema" en el interior que puede cambiar el tamaño una y otra vez sin afectar elLa innovación podría mejorar drásticamente la vida útil del ciclo, dice el equipo, y proporcionar un impulso dramático en la capacidad y la potencia de la batería.
Los nuevos hallazgos, que usan aluminio como material clave para el electrodo negativo o ánodo negativo de la batería de iones de litio, se informan en el diario Comunicaciones de la naturaleza en un documento del profesor del MIT Ju Li y otros seis. El uso de nanopartículas con una yema de aluminio y una cubierta de dióxido de titanio ha demostrado ser "el campeón de alta velocidad entre los ánodos de alta capacidad", informa el equipo.
La mayoría de las baterías de iones de litio actuales, la forma más utilizada de baterías recargables, utilizan ánodos de grafito, una forma de carbono. El grafito tiene una capacidad de almacenamiento de carga de 0,35 amperios-hora por gramo Ah / g;Durante muchos años, los investigadores han explorado otras opciones que proporcionarían un mayor almacenamiento de energía para un peso dado. El metal de litio, por ejemplo, puede almacenar aproximadamente 10 veces más energía por gramo, pero es extremadamente peligroso, capaz de provocar un cortocircuito o incluso atraparsefuego. El silicio y el estaño tienen una capacidad muy alta, pero la capacidad cae a altas velocidades de carga y descarga.
El aluminio es una opción de bajo costo con una capacidad teórica de 2 Ah / g. Pero el aluminio y otros materiales de alta capacidad, dice Li, "se expanden mucho cuando alcanzan una alta capacidad, cuando absorben litio. Y luego se encogen, al liberar litio "
Esta expansión y contracción de las partículas de aluminio genera una gran tensión mecánica, lo que puede hacer que los contactos eléctricos se desconecten. Además, el electrolito líquido en contacto con el aluminio siempre se descompondrá a los voltajes de carga / descarga necesarios, formando una piel llamada interfase de electrolitos sólidosSEI, que estaría bien si no fuera por la expansión y contracción repetidas de gran volumen que provocan que las partículas SEI se desprendan. Como resultado, los intentos anteriores de desarrollar un electrodo de aluminio para baterías de iones de litio habían fallado.
Ahí es donde surgió la idea de utilizar aluminio confinado en forma de nanopartículas de cáscara de yema. En el negocio de la nanotecnología, existe una gran diferencia entre lo que se denomina nanopartículas de "cáscara de yema" y "cáscara de yema".los primeros tienen una cáscara que se une directamente al núcleo, pero las partículas de la cáscara de la yema presentan un vacío entre las dos, lo que equivale a donde estaría la clara de un huevo. Como resultado, el material de la "yema" puede expandirse y contraerse libremente, con poco efecto sobre las dimensiones y la estabilidad del "caparazón"
"Hicimos una carcasa de óxido de titanio", dice Li, "que separa el aluminio del electrolito líquido" entre los dos electrodos de la batería. La carcasa no se expande o encoge mucho, dice, por lo que el recubrimiento SEI en la carcasa esmuy estable y no se cae, y el aluminio en el interior está protegido del contacto directo con el electrolito.
Originalmente, el equipo no lo planeó de esa manera, dice Li, el profesor de Battelle Energy Alliance en Ciencia e Ingeniería Nuclear, que tiene una cita conjunta en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.
"Se nos ocurrió el método por casualidad, fue un descubrimiento fortuito", dice. Las partículas de aluminio que usaron, que tienen unos 50 nanómetros de diámetro, naturalmente tienen una capa oxidada de alúmina Al2O3 ".deshacerse de él, porque no es bueno para la conductividad eléctrica ", dice Li.
Terminaron convirtiendo la capa de alúmina en titania TiO2, un mejor conductor de electrones e iones de litio cuando es muy delgada. Los polvos de aluminio se colocaron en ácido sulfúrico saturado con oxisulfato de titanio. Cuando la alúmina reacciona con ácido sulfúrico, el excesoSe libera agua que reacciona con el oxisulfato de titanio para formar una cubierta sólida de hidróxido de titanio con un espesor de 3 a 4 nanómetros. Lo sorprendente es que mientras esta cubierta sólida se forma casi instantáneamente, si las partículas permanecen en el ácido unas pocas horas más., el núcleo de aluminio se contrae continuamente para convertirse en una "yema" de 30 nm de ancho, lo que muestra que pequeños iones pueden atravesar la cáscara.
Las partículas se tratan para obtener las partículas finales de la yema de aluminio-titania ATO. Después de ser probadas a través de 500 ciclos de carga-descarga, la cubierta de titania se vuelve un poco más gruesa, dice Li, pero el interior del electrodo permaneceLimpie sin acumulación de SEI, lo que demuestra que la carcasa encierra completamente el aluminio y permite que los iones y electrones de litio entren y salgan. El resultado es un electrodo que proporciona más de tres veces la capacidad de grafito 1.2 Ah / g aLi dice que la velocidad de carga es normal. A velocidades de carga muy rápidas seis minutos hasta la carga completa, la capacidad sigue siendo 0.66 Ah / g después de 500 ciclos.
Los materiales son económicos y el método de fabricación podría ser simple y fácilmente escalable, dice Li. Para aplicaciones que requieren una batería de alta potencia y densidad de energía, dice, "Probablemente sea el mejor material de ánodo disponible".Las pruebas que utilizan fosfato de hierro y litio como cátodo han tenido éxito, lo que indica que ATO está muy cerca de estar listo para aplicaciones reales.
El equipo de investigación incluyó a Sa Li, Yu Cheng Zhao y Chang An Wang de la Universidad de Tsinghua en Beijing y Junjie Niu, Kangpyo So y Chao Wang del MIT. El trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Nacional de Ciencias Naturalesde China.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :