Investigadores de la Universidad de California en San Diego desarrollaron un dispositivo emisor de ultrasonidos que trae baterías de metal de litio, o LMB, un paso más cerca de la viabilidad comercial. Aunque el equipo de investigación se centró en los LMB, el dispositivo puede usarse en cualquier batería, independientementede Química.
El dispositivo que los investigadores desarrollaron es una parte integral de la batería y funciona emitiendo ondas de ultrasonido para crear una corriente circulante en el líquido electrolítico que se encuentra entre el ánodo y el cátodo. Esto evita la formación de crecimientos de metal de litio, llamados dendritas, durantecarga que conduce a una disminución del rendimiento y cortocircuitos en LMB.
El dispositivo está hecho de componentes de teléfonos inteligentes listos para usar, que generan ondas de sonido a frecuencias extremadamente altas, que van de 100 millones a 10 mil millones de hercios. En los teléfonos, estos dispositivos se utilizan principalmente para filtrar la señal celular inalámbrica e identificary filtrar llamadas de voz y datos. Los investigadores los usaron en su lugar para generar un flujo dentro del electrolito de la batería.
"Los avances en la tecnología de teléfonos inteligentes son realmente lo que nos permitió utilizar el ultrasonido para mejorar la tecnología de la batería", dijo James Friend, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Jacobs en la Universidad de California en San Diego y autor correspondiente del estudio.
Actualmente, los LMB no se han considerado una opción viable para alimentar todo, desde vehículos eléctricos hasta electrónicos, porque su vida útil es demasiado corta. Pero estas baterías también tienen el doble de capacidad que las mejores baterías de iones de litio de la actualidad. Por ejemplo, las baterías eléctricas de litiolos vehículos tendrían el doble de alcance que los vehículos que funcionan con iones de litio, por el mismo peso de la batería.
Los investigadores mostraron que una batería de litio metálico equipada con el dispositivo podía cargarse y descargarse durante 250 ciclos y una batería de iones de litio durante más de 2000 ciclos. Las baterías se cargaron de cero a 100 por ciento en 10 minutos para cada ciclo.
"Este trabajo permite la carga rápida y baterías de alta energía todo en uno", dijo Ping Liu, profesor de nanoingeniería en la Escuela Jacobs y el otro autor principal del artículo. "Es emocionante y efectivo".
El equipo detalla su trabajo en el diario Materiales avanzados .
La mayoría de los esfuerzos de investigación de baterías se enfocan en encontrar la química perfecta para desarrollar baterías que duren más y se carguen más rápido, dijo Liu. Por el contrario, el equipo de UC San Diego buscó resolver un problema fundamental: el hecho de que en las baterías de metal tradicionales, el electrolitoel líquido entre el cátodo y el ánodo es estático. Como resultado, cuando la batería se carga, el ion de litio en el electrolito se agota, lo que hace más probable que el litio se deposite de manera desigual en el ánodo. Esto a su vez provoca el desarrollo de una agujaestructuras llamadas dendritas que pueden crecer sin control desde el ánodo hacia el cátodo, causando que la batería se cortocircuite e incluso se incendie. La carga rápida acelera este fenómeno.
Al propagar ondas de ultrasonido a través de la batería, el dispositivo hace que el electrolito fluya, reponiendo el litio en el electrolito y haciendo que sea más probable que el litio forme depósitos uniformes y densos en el ánodo durante la carga.
La parte más difícil del proceso fue diseñar el dispositivo, dijo An Huang, primer autor del artículo y estudiante de doctorado en ciencias de los materiales en la Universidad de California en San Diego. El desafío fue trabajar a escalas extremadamente pequeñas, entendiendo los fenómenos físicosinvolucrado y encontrar una manera efectiva de integrar el dispositivo dentro de la batería.
"Nuestro próximo paso será integrar esta tecnología en baterías comerciales de iones de litio", dijo Haodong Liu, coautor del artículo e investigador postdoctoral de nanoingeniería en la Escuela Jacobs.
La tecnología ha sido autorizada por UC San Diego por Matter Labs, una empresa de desarrollo de tecnología con sede en Ventura, California. La licencia no es exclusiva.
El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. Y el equipo de Aceleración de la Innovación al Mercado en UC San Diego. Está protegido por patentes: US # 16 / 331,741 - "Prevención de la dendrita basada en ondas acústicas para baterías recargables" y # provisional2019-415 - "Prevención química agnóstica del agotamiento de iones y prevención de la dendrita en electrolitos líquidos"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Ioana Patringenaru. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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