Es probable que las últimas baterías de iones de litio en el mercado extiendan la vida de carga a carga de teléfonos y automóviles eléctricos hasta en un 40 por ciento. Este salto adelante, que se produce después de más de una década de mejoras incrementales, esesto sucede porque los desarrolladores reemplazaron el ánodo de grafito de la batería con uno hecho de silicio. La investigación de la Universidad de Drexel y el Trinity College en Irlanda ahora sugiere que una mejora aún mayor podría estar en línea si el silicio está fortificado con un tipo especial de material llamado MXene.
Este ajuste podría extender la vida útil de las baterías de iones de litio hasta cinco veces, informó recientemente el grupo Comunicaciones de la naturaleza . Es posible debido a la capacidad del material MXene bidimensional para evitar que el ánodo de silicio se expanda hasta su punto de ruptura durante la carga, un problema que impidió su uso durante algún tiempo.
"Se proyecta que los ánodos de silicio reemplazarán los ánodos de grafito en las baterías de iones de litio con un gran impacto en la cantidad de energía almacenada", dijo Yury Gogotsi, PhD, Universidad Distinguida y Profesor de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel y director del AJ Drexel.El Instituto de Nanomateriales del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, que fue coautor de la investigación, "descubrimos que agregar materiales MXene a los ánodos de silicio puede estabilizarlos lo suficiente como para usarlos realmente en baterías".
En las baterías, la carga se mantiene en los electrodos, el cátodo y el ánodo, y se envía a nuestros dispositivos a medida que los iones viajan del ánodo al cátodo. Los iones regresan al ánodo cuando la batería se recarga. La vida útil de la batería ha aumentado constantementeencontrar maneras de mejorar la capacidad de los electrodos para enviar y recibir más iones. Sustituir el grafito por silicio como material primario en el ánodo de iones de litio mejoraría su capacidad de absorber iones porque cada átomo de silicio puede aceptar hasta cuatro iones de litio, mientras queen los ánodos de grafito, seis átomos de carbono absorben solo un litio, pero a medida que se carga, el silicio también se expande, hasta un 300 por ciento, lo que puede hacer que se rompa y la batería no funcione correctamente.
La mayoría de las soluciones a este problema han implicado agregar materiales de carbono y aglutinantes de polímeros para crear un marco para contener el silicio. El proceso para hacerlo, según Gogotsi, es complejo y el carbono contribuye poco a cargar el almacenamiento de la batería.
Por el contrario, el método del grupo Drexel y Trinity mezcla polvo de silicio en una solución de MXene para crear un ánodo híbrido de silicio-MXene. Las nanohojas de MXene se distribuyen al azar y forman una red continua mientras se envuelven alrededor de las partículas de silicio, actuando como aditivo conductor y aglutinanteal mismo tiempo. Es el marco MXene el que también impone orden a los iones a medida que llegan y evita que el ánodo se expanda.
"Los MXenes son la clave para ayudar al silicio a alcanzar su potencial en las baterías", dijo Gogotsi. "Debido a que los MXenes son materiales bidimensionales, hay más espacio para los iones en el ánodo y pueden moverse más rápidamente hacia él, por lo tantomejorando tanto la capacidad como la conductividad del electrodo. También tienen una excelente resistencia mecánica, por lo que los ánodos de silicio-MXene también son bastante duraderos de hasta 450 micras de espesor ".
Los MXenes, que se descubrieron por primera vez en Drexel en 2011, se fabrican grabando químicamente un material cerámico en capas llamado fase MAX, para eliminar un conjunto de capas relacionadas químicamente, dejando una pila de escamas bidimensionales. Los investigadores han producido mása la fecha, 30 tipos de MXene, cada uno con un conjunto de propiedades ligeramente diferente. El grupo seleccionó dos de ellos para hacer que los ánodos de silicio-MXene fueran probados para el papel: carburo de titanio y carbonitruro de titanio. También probaron ánodos de batería hechos de grafeno-nanopartículas de silicona envueltas.
Las tres muestras de ánodos mostraron una mayor capacidad de iones de litio que los ánodos de grafito o de silicio-carbono utilizados en las baterías de iones de litio y una conductividad superior, del orden de 100 a 1,000 veces mayor que los ánodos de silicio convencionales, cuando se agrega MXene.
"La red continua de nanoshojas MXene no solo proporciona suficiente conductividad eléctrica y espacio libre para acomodar el cambio de volumen, sino que también resuelve bien la inestabilidad mecánica del Si", escriben. "Por lo tanto, la combinación de tinta MXene viscosa y alta capacidadSi demostrado aquí ofrece una técnica poderosa para construir nanoestructuras avanzadas con un rendimiento excepcional ".
Chuanfang Zhang, PhD, investigador postdoctoral en Trinity y autor principal del estudio, también señala que la producción de los ánodos MXene, por colada en suspensión, es fácilmente escalable para la producción en masa de ánodos de cualquier tamaño, lo que significapodrían llegar a las baterías que alimentan casi cualquiera de nuestros dispositivos.
"Teniendo en cuenta que ya se informaron más de 30 MXenes, y se prevé que existan más, ciertamente hay mucho espacio para mejorar aún más el rendimiento electroquímico de los electrodos de batería utilizando otros materiales de la gran familia MXene", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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