Los investigadores han identificado un grupo de materiales que podrían usarse para fabricar baterías de mayor potencia. Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, usaron materiales con una estructura cristalina compleja y descubrieron que los iones de litio se mueven a través de ellos a tasas que superan con creces esasde materiales de electrodos típicos, lo que equivale a una batería de carga mucho más rápida.
Si bien estos materiales, conocidos como óxidos de tungsteno de niobio, no dan como resultado densidades de energía más altas cuando se usan bajo las tasas típicas de ciclismo, se destacan por sus aplicaciones de carga rápida. Además, su estructura física y comportamiento químico brindan a los investigadores una información valiosa sobrecómo se podría construir una batería segura y de carga súper rápida, y sugerir que la solución para las baterías de próxima generación puede provenir de materiales no convencionales. Los resultados se informan en la revista Naturaleza .
Muchas de las tecnologías que usamos todos los días se han vuelto cada vez más pequeñas, más rápidas y más baratas, con la notable excepción de las baterías. Además de la posibilidad de un teléfono inteligente que se pueda cargar completamente en minutos, los desafíos asociados con la fabricación de ununa mejor batería está frenando la adopción generalizada de dos tecnologías limpias principales: automóviles eléctricos y almacenamiento a escala de red para energía solar.
"Siempre estamos buscando materiales con un rendimiento de batería de alta velocidad, lo que resultaría en una carga mucho más rápida y también podría ofrecer una salida de alta potencia", dijo el Dr. Kent Griffith, investigador postdoctoral en el Departamento de Química de Cambridge y el periódicoPrimer autor.
En su forma más simple, las baterías están hechas de tres componentes: un electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito. Cuando se carga una batería, los iones de litio se extraen del electrodo positivo y se mueven a través de la estructura cristalina y el electrolito hacia el negativoelectrodo, donde se almacenan. Cuanto más rápido se produce este proceso, más rápido se puede cargar la batería.
En la búsqueda de nuevos materiales de electrodos, los investigadores normalmente intentan hacer las partículas más pequeñas. "La idea es que si hace que la distancia que los iones de litio tienen que recorrer sea más corta, debería darle un rendimiento de mayor velocidad", dijo Griffith ".Pero es difícil hacer una batería práctica con nanopartículas: se obtienen muchas más reacciones químicas no deseadas con el electrolito, por lo que la batería no dura tanto, y es costosa de fabricar ".
"Las nanopartículas pueden ser difíciles de fabricar, es por eso que estamos buscando materiales que tengan inherentemente las propiedades que estamos buscando incluso cuando se usan como partículas comparativamente grandes del tamaño de micras. Esto significa que usted no tienepara pasar por un proceso complicado para hacerlos, lo que mantiene los costos bajos ", dijo la profesora Clare Gray, también del Departamento de Química y autor principal del artículo." Las nanopartículas también son difíciles de trabajar en un nivel práctico, ya que tienden aser bastante 'esponjoso', por lo que es difícil juntarlos, lo cual es clave para la densidad de energía volumétrica de una batería ".
Los óxidos de tungsteno de niobio utilizados en el trabajo actual tienen una estructura rígida y abierta que no atrapa el litio insertado, y tienen tamaños de partículas más grandes que muchos otros materiales de electrodos. Griffith especula que la razón por la cual estos materiales no han recibido atención previamente está relacionadaa sus complejas disposiciones atómicas. Sin embargo, sugiere que la complejidad estructural y la composición de metales mixtos son las razones por las que los materiales exhiben propiedades de transporte únicas.
"Muchos materiales de la batería se basan en las mismas dos o tres estructuras de cristal, pero estos óxidos de tungsteno de niobio son fundamentalmente diferentes", dijo Griffith. Los óxidos se mantienen abiertos mediante 'pilares' de oxígeno, lo que permite que los iones de litio se muevan a través de ellosen tres dimensiones: "Los pilares de oxígeno, o planos de corte, hacen que estos materiales sean más rígidos que otros compuestos de batería, de modo que, además de sus estructuras abiertas, significa que más iones de litio pueden moverse a través de ellos, y mucho más rápidamente".
Utilizando una técnica llamada espectroscopía de resonancia magnética nuclear RMN con gradiente de campo pulsado PFG, que no se aplica fácilmente a los materiales de los electrodos de la batería, los investigadores midieron el movimiento de los iones de litio a través de los óxidos, y descubrieron que se movían a varias velocidadesórdenes de magnitud más altas que los materiales de electrodo típicos.
La mayoría de los electrodos negativos en las baterías actuales de iones de litio están hechos de grafito, que tiene una alta densidad de energía, pero cuando se carga a altas velocidades, tiende a formar fibras de litio metálicas finas conocidas como dendritas, que pueden crear un cortocircuito y causarlas baterías para incendiarse y posiblemente explotar.
"En aplicaciones de alta velocidad, la seguridad es una preocupación mayor que en cualquier otra circunstancia operativa", dijo Gray. "Definitivamente valdría la pena considerar estos materiales, y posiblemente otros como ellos, para aplicaciones de carga rápida donde se necesita unalternativa más segura al grafito "
Además de sus altas tasas de transporte de litio, los óxidos de tungsteno de niobio también son fáciles de fabricar. "Muchas de las estructuras de nanopartículas toman múltiples pasos para sintetizar, y solo terminas con una pequeña cantidad de material, por lo que la escalabilidad es unaproblema real ", dijo Griffith." Pero estos óxidos son muy fáciles de fabricar y no requieren productos químicos o solventes adicionales ".
Aunque los óxidos tienen excelentes tasas de transporte de litio, conducen a un voltaje de celda más bajo que algunos materiales de electrodos. Sin embargo, el voltaje de funcionamiento es beneficioso para la seguridad y las altas tasas de transporte de litio significan que cuando se realiza un ciclo rápido, lo práctico utilizableLa densidad energética de estos materiales sigue siendo alta.
Si bien los óxidos solo pueden ser adecuados para ciertas aplicaciones, Gray dice que lo importante es seguir buscando nuevas químicas y nuevos materiales. "Los campos se estancan si no sigues buscando nuevos compuestos", dice. "Estosmateriales interesantes nos dan una buena idea de cómo podríamos diseñar materiales de electrodos de mayor velocidad "
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Materiales proporcionado por Universidad de Cambridge . La historia original tiene licencia bajo a Licencia Creative Commons . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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