Investigadores de materiales del Instituto Suizo Paul Scherrer PSI en Villigen y ETH Zurich han desarrollado un procedimiento muy simple y rentable para mejorar significativamente el rendimiento de las baterías recargables de iones de litio convencionales. El procedimiento es de tamaño escalable, por lo que el usode baterías recargables se optimizará en todas las áreas de aplicación, ya sea en relojes de pulsera, teléfonos inteligentes, computadoras portátiles o automóviles. La capacidad de almacenamiento de la batería se ampliará significativamente y se reducirán los tiempos de carga. Los investigadores informaron sobre sus resultados en el último número de la revista de investigación Energía natural .
No es necesario reinventar la batería recargable para mejorar su rendimiento. Como dice Claire Villevieille, jefa del grupo de investigación de materiales de batería del Instituto Paul Scherrer PSI: "En el contexto de este campo competitivo, la mayoría de los investigadores se concentransobre el desarrollo de nuevos materiales ". En cooperación con colegas de la ETH en Zurich, Villevieille y la co-investigadora Juliette Billaud adoptaron un enfoque diferente:" Verificamos los componentes existentes con miras a explotar plenamente su potencial ". Simplemente optimizando el grafitoánodo - o electrodo negativo - en una batería de iones de litio convencional, los investigadores pudieron aumentar el rendimiento de la batería. "En condiciones de laboratorio, pudimos mejorar la capacidad de almacenamiento en un factor de hasta 3. Debido a su compleja construcción,las baterías comerciales no podrán replicar completamente estos resultados, pero el rendimiento definitivamente mejorará, tal vez hasta en un 30-50 por ciento: otros experimentos deberían producird pronósticos más precisos "
Los investigadores señalan que, en términos de implementación industrial, la mejora de los componentes existentes tiene la gran ventaja de requerir menos aportes de desarrollo que un nuevo diseño de batería con nuevos materiales. Como dice Villevieille: "Ya tenemos todo lo que necesitamos. Si un fabricante estuviera dispuestopara comenzar la producción, las baterías mejoradas podrían estar listas para el mercado dentro de uno o dos años ". El procedimiento es simple, rentable y escalable para usar con baterías recargables en todas las áreas de aplicación, desde el reloj de pulsera hasta el teléfono inteligente, desde la computadora portátil hasta el automóvilY tiene la ventaja adicional de ser transferible a otras baterías de ánodo-cátodo, como las que se basan en sodio.
Arreglando los copos
En este caso, cambiar la forma en que funcionan los ánodos fue la clave del éxito. Los ánodos están hechos de grafito, es decir, carbono, dispuestos en pequeñas hojuelas densamente compactadas, comparables en apariencia a las hojuelas de maíz gris oscuro comprimidas al azar, como en una barra de granola.Cuando una batería de iones de litio se está cargando, los iones de litio pasan del cátodo, o electrodo de óxido de metal positivo, a través de un fluido electrolítico al ánodo, donde se almacenan en la barra de grafito. Cuando la batería está en uso y se descarga, ellos iones de litio vuelven al cátodo, pero se ven obligados a tomar muchos desvíos a través de la masa densa de copos de grafito, lo que compromete el rendimiento de la batería.
Estos desvíos se pueden evitar en gran medida si los copos se disponen verticalmente durante el proceso de producción del ánodo de modo que se agrupen paralelos entre sí, apuntando desde el plano del electrodo en la dirección del cátodo. Adaptación de un método ya utilizado en la producción de sintéticosAndré Studart y un equipo de expertos en investigación en el campo de la nanoestructuración de materiales en el ETH Zurich lograron esta alineación. El método consiste en recubrir las escamas de grafito con nanopartículas de óxido de hierro sensibles a un campo magnético y suspenderlas en etanol.Las escamas suspendidas y ya magnetizadas se someten posteriormente a un campo magnético de 100 militesla, aproximadamente la fuerza de un imán de nevera. André Studart explica que "al girar el imán durante este proceso, las plaquetas no solo se alinean verticalmente sino que se forman paralelamente a unaotro, como libros en un estante. Como resultado, están perfectamente ordenados, reduciendo las distancias de difusión cubiertaspor los iones de litio al mínimo "
caminos más cortos para los iones
Las imágenes microscópicas muestran que si el imán permanece encendido durante el proceso de secado subsiguiente, las plaquetas mantienen su nueva orientación incluso cuando se retiran de la suspensión de etanol. En lugar de su disposición anteriormente azarosa, las escamas en la barra de grafito comprimido ahora son paralelas,permitiendo que los iones de litio fluyan mucho más fácil y rápidamente, al tiempo que aumenta la capacidad de almacenamiento al permitir que más iones se acoplen durante el proceso de carga. Claire Villevieille enfatiza que "la composición química de las baterías sigue siendo la misma". Las nanopartículas de óxido de hierro restantes son insignificantesen cantidad y no influyen en la función de la batería. "Todo lo que hicimos fue optimizar la estructura del ánodo".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Paul Scherrer PSI . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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