Las baterías híbridas que se cargan más rápido que las convencionales podrían tener una capacidad eléctrica significativamente mejor y una estabilidad a largo plazo cuando se preparan con una forma suave de hacer electrodos.
Llamado aterrizaje suave de iones, la técnica de alta precisión resultó en electrodos que podían almacenar un tercio más de energía y tenían el doble de vida útil en comparación con los preparados por un método convencional, informaron los investigadores hoy Comunicaciones de la naturaleza . Fácil de configurar, el método podría eventualmente conducir a baterías recargables más baratas, más potentes y de mayor duración.
"Esta es la primera vez que alguien puede armar una batería que funciona con un aterrizaje suave de iones", dijo la química y miembro de laboratorio Julia Laskin, del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía.
Las ventajas provienen de la capacidad del aterrizaje suave para construir una superficie de electrodo muy específicamente con solo las moléculas más deseables de una mezcla compleja de componentes en bruto.
"Nos ayudará a resolver importantes preguntas científicas sobre esta tecnología de almacenamiento de energía, un híbrido entre las baterías recargables de litio comunes y los supercondensadores que tienen una densidad de energía muy alta", dijo el autor principal, químico de PNNL Venkateshkumar Prabhakaran.
Un tipo diferente de híbrido
Aunque las baterías recargables de iones de litio son la tecnología de referencia para dispositivos electrónicos pequeños, liberan su energía lentamente, por lo que los vehículos eléctricos híbridos usan gasolina para acelerar y tardan mucho en recargarse, lo que hace que los vehículos eléctricos sean más lentos "llenar "que sus primos a gas.
Una posible solución es una batería híbrida que cruza la capacidad de una batería de litio de retener mucha carga para su tamaño con un supercondensador de carga rápida. Los químicos de PNNL querían saber si podían fabricar materiales de batería híbrida superiores con una tecnología llamadaaterrizaje suave de iones: que controla intrincadamente los componentes en bruto durante la preparación.
Para averiguarlo, Laskin y sus colegas crearon electrodos híbridos rociando un químico conocido como POM, o polioxometalato, sobre electrodos supercondensadores hechos de tubos de carbono microscópicamente pequeños. El POM estándar tiene partes cargadas positiva y negativamente llamadas iones, perosolo se necesitan iones negativos en los electrodos híbridos.
Limitado por su diseño, la técnica de preparación convencional pulveriza los iones positivos y negativos sobre los nanotubos de carbono. Sin embargo, el aterrizaje suave de iones separa las partes cargadas y solo deposita los iones negativos en la superficie del electrodo. La pregunta que Laskiny el equipo tenía, ¿los iones positivos interfieren con el rendimiento de los electrodos híbridos?
Para averiguarlo, el equipo fabricó baterías híbridas cuadradas del tamaño de un centímetro con electrodos de nanotubos de carbono POM que intercalan una membrana líquida iónica especialmente desarrollada entre ellos.
"Tuvimos que diseñar una membrana que separara los electrodos y también sirviera como electrolito de la batería, lo que permite la conducción de iones", dijo Prabhakaran. "La mayoría de las personas conocen los electrolitos como el líquido que se derrama dentro de la batería de un automóvil. El nuestro era sólidogel."
Probaron esta batería mini-híbrida para determinar cuánta energía podría contener y cuántos ciclos de carga y descarga podría manejar antes de agotarse.
Compararon el aterrizaje suave con baterías híbridas hechas convencionalmente, que se hicieron con una técnica llamada deposición por electropulverización. Usaron un POM listo para usar que contiene iones de sodio cargados positivamente.
Saludos para los POM
El equipo descubrió que los electrodos híbridos POM hechos con aterrizaje suave tenían una capacidad de almacenamiento de energía superior. Podían contener un tercio más de energía que los supercondensadores de nanotubos de carbono, que se incluyeron como un punto de referencia de rendimiento mínimo. Y los híbridos de aterrizaje suavecontenía aproximadamente un 27 por ciento más de energía que los electrodos depositados por electroaspersión convencionales.
Para asegurarse de que el equipo estaba usando la cantidad óptima de POM, hicieron electrodos híbridos con diferentes cantidades y probaron cuál resultó en la mayor capacidad. El aterrizaje suave produjo la mayor capacidad en general usando la menor cantidad de POM. Esto indicó quelos electrodos utilizaron el material activo de manera extremadamente eficiente. En comparación, los electrodos POM convencionales a base de sodio requerían el doble de material POM para alcanzar su mayor capacidad.
Los dispositivos fabricados de manera convencional usaban más POM, pero el equipo aún no podía contarlos. De hecho, podrían tener una vida útil más larga que los electrodos producidos por aterrizaje suave. Para probar eso, el equipo cargó y descargó los híbridos 1,000veces y midió cuánto duraron.
Como lo hicieron en las pruebas anteriores, los dispositivos basados en aterrizaje suave funcionaron mejor, perdiendo solo un pequeño porcentaje de capacidad después de 1000 ciclos. Los supercondensadores desnudos quedaron en segundo lugar, y los dispositivos basados en sodio, fabricados de manera convencional, perdieron aproximadamente el doblela capacidad de los dispositivos de aterrizaje suave. Esto sugiere que el método de aterrizaje suave tiene el potencial de duplicar la vida útil de este tipo de baterías híbridas.
Se ve bien
El equipo se sorprendió de que se necesitara tan poco material de POM para hacer una gran diferencia en los supercondensadores de nanotubos de carbono. Por peso, la cantidad de POM era solo un quinto de un porcentaje de la cantidad de material de nanotubos de carbono.
"El hecho de que la capacitancia alcance un máximo con tan poco POM y luego baje con más, es notable", dijo Laskin. "No esperábamos que una cantidad tan pequeña de POM estuviera haciendo una contribución tan grande ala capacitancia "
Decidieron examinar la estructura de los electrodos usando microscopios potentes en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en PNNL. Compararon el aterrizaje suave con los electrodos POM de sodio fabricados de manera convencional.
El aterrizaje suave creó pequeños grupos discretos de POM que salpican los nanotubos de carbono, pero el método convencional resultó en grupos más grandes de grupos de POM que inundaban los nanotubos, agregados de hasta diez veces el tamaño de los fabricados por el aterrizaje suave.
Este resultado sugirió a los investigadores que la eliminación de los iones positivos del material de partida de POM permitió que los iones negativos se dispersaran uniformemente sobre la superficie. Mientras los iones positivos como el sodio permanecieran, el POM y el sodio parecen reformar el material cristalinoy agregado en la superficie. Esto evitó que gran parte del POM hiciera su trabajo en la batería, reduciendo así la capacidad.
Cuando el equipo se alejó un poco y vio los nanotubos desde arriba, los electrodos fabricados de manera convencional estaban cubiertos de grandes agregados de POM. Sin embargo, los electrodos de aterrizaje suave eran notablemente indistinguibles de los supercondensadores de nanotubos de carbono desnudos.
En futuras investigaciones, el equipo quiere explorar cómo lograr que los materiales de carbono acepten más POM, lo que podría aumentar aún más la capacidad y la vida útil.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía y el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía, un Centro de Innovación del Departamento de Energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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