En los últimos años, las baterías de iones de litio han mejorado en el suministro de energía a los soldados en el campo, pero la generación actual de baterías nunca alcanza su mayor potencial energético. Los investigadores del ejército están extremadamente concentrados en resolver este desafío y proporcionar la potencia que exigen los soldados.
En el Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., En colaboración con la Universidad de Maryland, los científicos pueden haber encontrado una solución.
"Estamos muy emocionados de demostrar un nuevo diseño de electrolitos para las baterías de iones de litio que mejora la capacidad del ánodo en más de cinco veces en comparación con los métodos tradicionales", dijo el científico del ejército Dr. Oleg Borodin. "Este es el siguiente paso necesario para mover estotecnología más cercana a la comercialización "
El equipo diseñó una capa protectora autorreparable en la batería que ralentiza significativamente el proceso de degradación del ánodo de silicio y electrolitos, lo que podría extender la vida útil de las baterías de iones de litio de próxima generación.
Su último diseño de batería aumentó el número de ciclos posibles de decenas a más de cien con poca degradación. El diario Energía natural publicó sus hallazgos.
Así es como funciona una batería. Una batería almacena energía química y la convierte en energía eléctrica. Las baterías tienen tres partes, un ánodo -, un cátodo + y el electrolito. Un ánodo es un electrodo a través del cual el convencionalla corriente entra en un dispositivo eléctrico polarizado, lo que contrasta con un cátodo, a través del cual la corriente sale de un dispositivo eléctrico.
El electrolito evita que los electrones pasen directamente del ánodo al cátodo dentro de la batería. Para crear mejores baterías, dijo Borodin, puede aumentar la capacidad del ánodo y el cátodo, pero el electrolito tiene que ser compatible entreellos.
Las baterías de iones de litio generalmente usan ánodos de grafito, que tienen una capacidad de aproximadamente 370 miliamperios hora mAh por gramo. Pero los ánodos hechos de silicio pueden ofrecer aproximadamente 1,500 a 2,800 mAh por gramo, o al menos cuatro veces más capacidad.
Los investigadores dijeron que los ánodos de partículas de silicio, a diferencia de los ánodos de grafito tradicionales, ofrecen excelentes alternativas, pero también se degradan mucho más rápido. A diferencia del grafito, el silicio se expande y contrae durante el funcionamiento de una batería. A medida que las nanopartículas de silicio dentro del ánodo se hacen más grandes,a menudo rompe la capa protectora, llamada interfase electrolítica sólida, que rodea el ánodo.
La interfase del electrolito sólido se forma naturalmente cuando las partículas del ánodo hacen contacto directo con el electrolito. La barrera resultante evita que se produzcan más reacciones y separa el ánodo del electrolito. Pero cuando esta capa protectora se daña, las partículas del ánodo recién expuestas reaccionarán continuamentecon electrolito hasta que se agote
"Otros han tratado de resolver este problema diseñando una capa protectora que se expande cuando el ánodo de silicio lo hace", dijo Borodin. "Sin embargo, estos métodos aún causan cierta degradación de electrolitos, lo que acorta significativamente la vida útil del ánodo y la batería."
El equipo conjunto de la Universidad de Maryland y el Laboratorio de Investigación del Ejército decidió probar un nuevo enfoque. En lugar de una barrera elástica, los investigadores diseñaron una barrera rígida que no se rompe, incluso cuando las nanopartículas de silicio se expanden.desarrolló una batería de iones de litio con un electrolito que formó una interfase de electrolito sólido de fluoruro de litio rígido, o SEI, cuando el electrolito interactúa con las partículas de ánodo de silicio y reduce sustancialmente la degradación del electrolito.
"Hemos evitado con éxito el daño de SEI al formar un SEI de cerámica que tiene una baja afinidad con las partículas de silicio litiado, de modo que el silicio litiado puede reubicarse en la interfaz durante el cambio de volumen sin dañar el SEI", dijo el profesor Chunsheng Wang,profesor de Ingeniería Química y Biomolecular en la Universidad de Maryland. "El principio de diseño de electrolitos es universal para todos los ánodos de aleación y abre una nueva oportunidad para desarrollar baterías de alta energía".
El diseño de la batería que concibieron el grupo de Borodin y Wang demostró una eficiencia culombiana [la unidad básica de carga eléctrica] del 99.9 por ciento, lo que significa que solo el 0.1 por ciento de la energía se perdió por la degradación de los electrolitos en cada ciclo.
Esta es una mejora significativa con respecto a los diseños convencionales para baterías de iones de litio con ánodos de silicio, que tienen una eficiencia del 99.5 por ciento. Si bien parece pequeño, Borodin dijo que esta diferencia se traduce en un ciclo de vida más de cinco veces más largo.
"Los experimentos realizados por el grupo del Dr. Chunsheng Wang en la Universidad de Maryland mostraron que este nuevo método fue exitoso", dijo Borodin. "Sin embargo, fue exitoso no solo para los ánodos de silicio sino también de aluminio y bismuto, lo que demuestra la universalidaddel principio "
El nuevo diseño también trajo varios otros beneficios. La mayor capacidad de la batería permitió que el electrodo fuera notablemente más delgado, lo que hizo que el tiempo de carga fuera mucho más rápido y la batería mucho más ligera. Además, los investigadores descubrieron que la batería podía soportar temperaturas más fríasmejor que las baterías normales.
"Para las baterías normales, las temperaturas más frías ralentizan la difusión e incluso pueden congelar los líquidos dentro de las baterías", dijo Borodin. "Pero debido a que nuestro diseño tiene una capacidad mucho mayor, los iones tienen que difundir distancias más cortas, lo que resulta en una baja significativamente mejoradaoperación de temperatura, que es importante para los guerreros que operan en climas fríos "
El equipo agradeció al programa ARL Enterprise for Multiscale Modeling of Materials por su apoyo durante el esfuerzo de investigación hasta el momento.
Según Borodin, el siguiente paso en la investigación es desarrollar una celda más grande con un voltaje más alto usando este diseño. A la luz de este objetivo, el equipo actualmente está buscando avances en el lado del cátodo de la batería de iones de litio.
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Materiales proporcionado por Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU. . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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