Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han descubierto que las baterías de iones de litio funcionan más tiempo y más rápido cuando sus electrodos se tratan con hidrógeno.
Las baterías de iones de litio LIB son una clase de tipos de baterías recargables en las que los iones de litio se mueven del electrodo negativo al electrodo positivo durante la descarga y viceversa cuando se carga.
La creciente demanda de almacenamiento de energía enfatiza la necesidad urgente de baterías de mayor rendimiento. Varias características clave del rendimiento de la batería de iones de litio capacidad, voltaje y densidad de energía están determinadas en última instancia por la unión entre los iones de litio y el material del electrodo.Los cambios sutiles en la estructura, la química y la forma de un electrodo pueden afectar significativamente la fuerza con que los iones de litio se unen a él.
A través de experimentos y cálculos, el equipo de Livermore descubrió que los electrodos de nanoespuma de grafeno tratados con hidrógeno en las LIB muestran una mayor capacidad y un transporte más rápido.
"Estos hallazgos proporcionan información cualitativa para ayudar al diseño de materiales a base de grafeno para electrodos de alta potencia", dijo Morris Wang, científico de materiales de LLNL y coautor de un artículo que apareció en la edición del 5 de noviembre de Nature Informes científicos .
Las baterías de iones de litio están creciendo en popularidad para vehículos eléctricos y aplicaciones aeroespaciales. Por ejemplo, las baterías de iones de litio se están convirtiendo en un reemplazo común de las baterías de plomo y ácido que se han usado históricamente para carros de golf y vehículos utilitarios.electrolitos ácidos, la tendencia es utilizar paquetes de baterías de iones de litio livianos que pueden proporcionar el mismo voltaje que las baterías de plomo-ácido sin requerir la modificación del sistema de conducción del vehículo.
Las aplicaciones comerciales de materiales de grafeno para dispositivos de almacenamiento de energía, incluidas las baterías de iones de litio y los supercondensadores, dependen en gran medida de la capacidad de producir estos materiales en grandes cantidades y a bajo costo. Sin embargo, los métodos de síntesis química utilizados con frecuencia dejan cantidades significativas de sustancias atómicas.hidrógeno, cuyo efecto sobre el rendimiento electroquímico de los derivados de grafeno es difícil de determinar.
Sin embargo, los científicos de Livermore hicieron exactamente eso. Sus experimentos y cálculos a varias escalas revelan que el tratamiento deliberado a baja temperatura del grafeno rico en defectos con hidrógeno en realidad puede mejorar la capacidad de velocidad. El hidrógeno interactúa con los defectos en el grafeno y abre pequeños espacios para facilitar el litiopenetración, lo que mejora el transporte. Una capacidad reversible adicional es proporcionada por la unión mejorada de litio cerca de los bordes, donde es más probable que se una el hidrógeno
"La mejora en el rendimiento que hemos visto en los electrodos es un avance que tiene aplicaciones en el mundo real", dijo Jianchao Ye, quien es un científico postdoctoral en la División de Ciencia de Materiales del Laboratorio y el autor principal del artículo.
Para estudiar la participación del hidrógeno y los defectos hidrogenados en la capacidad de almacenamiento de litio del grafeno, el equipo aplicó varias condiciones de tratamiento térmico combinadas con la exposición al hidrógeno y examinó el rendimiento electroquímico de los electrodos de nanoespuma de grafeno GNF en 3-D, que soncompuesto principalmente de grafeno defectuoso.El equipo utilizó nanoespumas de grafeno en 3-D debido a sus numerosas aplicaciones potenciales, que incluyen almacenamiento de hidrógeno, catálisis, filtración, aislamiento, sorbentes de energía, desalinización capacitiva, supercondensadores y LIB.
La naturaleza sin aglutinantes de la espuma 3D de grafeno los hace ideales para estudios mecanicistas sin las complicaciones causadas por los aditivos.
"Encontramos una capacidad de velocidad drásticamente mejorada en los electrodos de nanofoam de grafeno después del tratamiento con hidrógeno. Al combinar los resultados experimentales con simulaciones detalladas, pudimos rastrear las mejoras a las interacciones sutiles entre defectos e hidrógeno disociado. Esto produce algunos pequeños cambios enla química y la morfología del grafeno que resultan tener un efecto sorprendentemente enorme en el rendimiento ", dijo el científico de LLNL Brandon Wood, quien dirigió el esfuerzo teórico en el documento.
La investigación sugiere que el tratamiento controlado de hidrógeno puede usarse como una estrategia para optimizar el transporte de litio y el almacenamiento reversible en otros materiales anódicos a base de grafeno.
Otros investigadores de Livermore incluyen el coautor principal Mitchell Ong, Tae Wook Heo, Patrick Campbell, Marcus Worsley, Yuanyue Liu, Swanee Shin, Supakit Charnvanichborikarn, Manyalibo Matthews, Michael Bagge-Hansen y Jonathan Lee.
El trabajo fue financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de LLNL.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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