Investigadores de la Universidad de Maryland y el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Han desarrollado por primera vez una batería de iones de litio que utiliza una solución de sal de agua como electrolito y alcanza la marca de 4.0 voltios deseada para la electrónica doméstica, como las computadoras portátiles, sin los riesgos de incendio y explosión asociados con algunas baterías de iones de litio no acuosas disponibles comercialmente. Su trabajo aparece el 6 de septiembre julio , la nueva revista de energía interdisciplinaria de Cell Press.
"En el pasado, si quisieras una gran energía, elegirías una batería de iones de litio no acuosa, pero tendrías que comprometer la seguridad. Si prefieres la seguridad, puedes usar una batería acuosa como níquel / metalhidruro, pero tendrías que conformarte con una energía más baja ", dice el coautor principal Kang Xu, miembro del laboratorio del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. especializado en electroquímica y ciencia de materiales." Ahora, estamos demostrando que puedes tener acceso simultáneo atanto de alta energía como de alta seguridad "
La investigación sigue un estudio de 2015 en ciencia que produjo una batería similar de 3.0 voltios con un electrolito acuoso pero se vio impedido de alcanzar voltajes más altos por el llamado "desafío catódico", en el cual un extremo de la batería, hecho de grafito o metal de litio, se degrada por elelectrolito acuoso. Para resolver este problema y dar el salto de tres voltios a cuatro, el primer autor, el científico investigador asistente de la Universidad de Maryland, Chongyin Yang, diseñó un nuevo recubrimiento de electrolito de polímero en gel que se puede aplicar al ánodo de grafito o litio.
Este recubrimiento hidrofóbico expulsa las moléculas de agua de la vecindad de la superficie del electrodo y luego, al cargar por primera vez, se descompone y forma una interfase estable: una mezcla delgada de productos de descomposición que separa el ánodo sólido del electrolito líquido.La interfase, inspirada en una capa generada dentro de baterías no acuosas, protege el ánodo de reacciones secundarias debilitantes, permitiendo que la batería use materiales anódicos deseables, como grafito o metal de litio, y lograr una mejor densidad de energía y capacidad de ciclo.
"La innovación clave aquí es hacer el gel correcto que puede bloquear el contacto del agua con el ánodo para que el agua no se descomponga y también puede formar la interfase correcta para soportar el alto rendimiento de la batería", dice el autor principal Chunsheng Wang,Profesor de Ingeniería Química y Biomolecular en la Facultad de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland.
La adición del recubrimiento de gel también aumenta las ventajas de seguridad de la nueva batería en comparación con las baterías de iones de litio no acuosas estándar y aumenta la densidad de energía en comparación con cualquier otra batería de iones de litio acuosa propuesta. Todas las baterías de iones de litio acuosasLas baterías se benefician de la inflamabilidad de los electrolitos a base de agua en comparación con los disolventes orgánicos altamente inflamables utilizados en sus contrapartes no acuosas. Sin embargo, es único en este caso, incluso cuando la capa de interfase está dañada si la carcasa de la batería se pinchó,por ejemplo, reacciona lentamente con el ánodo de litio o grafito litiado, evitando el humo, el fuego o la explosión que de otro modo podrían ocurrir si una batería dañada pusiera el metal en contacto directo con el electrolito.
Si bien la potencia y la densidad de energía de la nueva batería son adecuadas para aplicaciones comerciales que actualmente funcionan con baterías no acuosas más peligrosas, ciertas mejoras la harían aún más competitiva. En particular, a los investigadores les gustaría aumentar el número de baterías completasciclos de rendimiento que la batería puede completar y para reducir los gastos de material donde sea posible. "En este momento, estamos hablando de 50-100 ciclos, pero para comparar con las baterías de electrolitos orgánicos, queremos llegar a 500 o más", dice Wang.
Los investigadores también señalan que las manipulaciones electroquímicas detrás del salto a cuatro voltios tienen importancia dentro de la tecnología de la batería y más allá. "Esta es la primera vez que podemos estabilizar ánodos realmente reactivos como el grafito y el litio en medios acuosos", dice Xu"Esto abre una ventana amplia a muchos temas diferentes en electroquímica, incluidas las baterías de iones de sodio, las baterías de litio y azufre, las múltiples químicas de iones que involucran zinc y magnesio, o incluso la galvanoplastia y la síntesis electroquímica; todavía no las hemos explorado completamente".
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Materiales proporcionados por prensa celular . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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