Desde los teléfonos celulares hasta la energía solar y los automóviles eléctricos, la humanidad depende cada vez más de las baterías. A medida que la demanda de almacenamiento de energía seguro, eficiente y potente continúa aumentando, también lo hace la demanda de alternativas prometedoras a las baterías recargables de iones de litio, que han sido la tecnología dominante en este espacio.
En una investigación publicada en Actas de la Academia Nacional de Ciencias , investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer demuestran cómo pueden superar un desafío persistente conocido como dendritas para crear una batería de metal que funciona casi tan bien como una batería de iones de litio, pero depende del potasio, un elemento mucho más abundante y menos costoso.
Las baterías contienen dos electrodos: un cátodo en un extremo y un ánodo en el otro. Si mirara dentro de una batería de iones de litio, normalmente encontraría un cátodo hecho de óxido de litio-cobalto y un ánodo hecho de grafito.Durante la carga y descarga, los iones de litio fluyen de un lado a otro entre estos dos electrodos.
En esta configuración, si los investigadores simplemente reemplazaran el óxido de cobalto de litio con óxido de cobalto de potasio, el rendimiento disminuiría. El potasio es un elemento más grande y pesado y, por lo tanto, menos denso en energía. En cambio, el equipo de Rensselaer buscó aumentar el rendimiento del potasio mediantetambién reemplazando el ánodo de grafito con metal de potasio.
"En términos de rendimiento, esto podría rivalizar con una batería tradicional de iones de litio", dijo Nikhil Koratkar, profesor de ingeniería mecánica, aeroespacial y nuclear en Rensselaer y autor principal de este artículo.
Si bien las baterías de metal han demostrado ser muy prometedoras, también han estado plagadas tradicionalmente por la acumulación de depósitos de metal, llamados dendritas, en el ánodo. Las dendritas se forman debido a la deposición no uniforme de metal de potasio a medida que la batería experimenta ciclos repetidos de carga ydescarga. Con el tiempo, explicó Koratkar, los conglomerados de potasio metálico se vuelven largos y casi ramificados.
Si crecen demasiado, eventualmente perforarán el separador de membrana aislante para evitar que los electrodos se toquen entre sí y cortocircuiten la batería. El calor se crea cuando una batería se cortocircuita y tiene el potencial de establecer el electrolito orgánico dentro del dispositivoen llamas.
En este documento, Koratkar y su equipo, que incluía a Prateek Hundekar, un estudiante de doctorado en Rensselaer, e investigadores de la Universidad de Maryland, incluido Chunsheng Wang, profesor de ingeniería química y biomolecular, explican cómo su solución a esoel problema allana el camino para el uso práctico del consumidor. Al operar la batería a una velocidad de carga y descarga relativamente alta, pueden elevar la temperatura dentro de la batería de una manera bien controlada y alentar a las dendritas a que se auto-curen del ánodo.
Koratkar compara el proceso de autocuración con lo que le sucede a un montón de nieve después de que una tormenta ha terminado. El viento y el sol ayudan a mover los copos del montículo de nieve, reduciendo su tamaño y finalmente aplastándolo.
De manera similar, si bien el aumento de temperatura dentro de la batería no derretirá el metal de potasio, sí ayuda a activar la difusión de la superficie para que los átomos de potasio se muevan lateralmente fuera del "montón" que han creado, suavizando efectivamente la dendrita.
"Con este enfoque, la idea es que por la noche o cuando no esté usando la batería, tendría un sistema de gestión de la batería que aplicaría este calor local que haría que las dendritas se autocuraran", dijo Koratkar.
Koratkar y su equipo demostraron previamente un método similar de autocuración con baterías de metal de litio, pero descubrieron que la batería de metal de potasio requería mucho menos calor para completar el proceso de autocuración. Ese hallazgo prometedor, dijo Koratkar, significa un metal de potasiola batería podría ser más eficiente, segura y práctica.
"Quiero ver un cambio de paradigma hacia las baterías de metal", dijo Koratkar. "Las baterías de metal son la forma más eficiente de construir una batería; sin embargo, debido a este problema de dendrita no han sido factibles. Con el potasio, estoymás esperanzado "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Politécnico Rensselaer . Original escrito por Torie Wells. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :