Los científicos de la Universidad de California en San Diego han descubierto un nuevo material de ánodo que permite que las baterías de iones de litio se recarguen de forma segura en minutos durante miles de ciclos. Conocido como una sal de roca desordenada, el nuevo ánodo está compuesto de litio, vanadio yátomos de oxígeno dispuestos de manera similar a la sal común de mesa de cocina, pero al azar. Es prometedor para aplicaciones comerciales donde se desea una alta densidad de energía y una alta potencia, como automóviles eléctricos, aspiradoras o taladros.
El estudio, dirigido conjuntamente por nanoingenieros de los laboratorios de los profesores Ping Liu y Shyue Ping Ong, se publicó en Naturaleza el 2 de septiembre.
Actualmente, se utilizan dos materiales como ánodos en la mayoría de las baterías de iones de litio disponibles comercialmente que alimentan elementos como teléfonos celulares, computadoras portátiles y vehículos eléctricos. El más común, un ánodo de grafito, es extremadamente denso en energía: una batería de iones de litio con unEl ánodo de grafito puede alimentar un automóvil durante cientos de millas sin necesidad de recargarlo. Sin embargo, recargar un ánodo de grafito demasiado rápido puede provocar incendios y explosiones debido a un proceso llamado recubrimiento de metal de litio. Una alternativa más segura, el ánodo de titanato de litio, puede serse recarga rápidamente, pero da como resultado una disminución significativa en la densidad de energía, lo que significa que la batería debe recargarse con más frecuencia.
Este nuevo ánodo de sal de roca desordenado, Li3V2O5, se encuentra en un punto intermedio importante: es más seguro de usar que el grafito, pero ofrece una batería con al menos un 71% más de energía que el titanato de litio.
"La capacidad y la energía serán un poco más bajas que el grafito, pero es más rápido, más seguro y tiene una vida más larga. Tiene un voltaje mucho más bajo y, por lo tanto, una densidad de energía mucho mejor que los ánodos de titanato de litio de carga rápida comercializados en la actualidad".dijo Haodong Liu, un erudito postdoctoral en el laboratorio del profesor Ping Liu y primer autor del artículo. "Entonces, con este material podemos fabricar baterías seguras de carga rápida con una larga vida útil, sin sacrificar demasiada densidad de energía".
Los investigadores formaron una empresa llamada Tyfast para comercializar este descubrimiento. Los primeros mercados de la startup serán los autobuses eléctricos y las herramientas eléctricas, ya que las características de la sal rocosa desordenada Li3V2O5 la hacen ideal para su uso en dispositivos donde la recarga se puede programar fácilmente.
Los investigadores del laboratorio del profesor Liu planean continuar desarrollando este material de ánodo de óxido de litio y vanadio, al mismo tiempo que optimizan otros componentes de la batería para desarrollar una celda completa comercialmente viable.
"Durante mucho tiempo, la comunidad de baterías ha estado buscando un material de ánodo que funcione a un potencial justo por encima del grafito para permitir baterías de iones de litio de carga rápida y segura. Este material llena un importante vacío de conocimiento y aplicación", dijo Ping Liu. "Estamos entusiasmados por su potencial comercial, ya que el material puede ser una solución inmediata para el proceso de fabricación de baterías de iones de litio de hoy".
¿Por qué probar este material?
Los investigadores experimentaron por primera vez con sal de roca desordenada como cátodo de batería hace seis años. Desde entonces, se ha trabajado mucho para convertir el material en un cátodo eficiente. Haodong Liu dijo que el equipo de UC San Diego decidió probar el material como un ánodo basado enen una corazonada.
"Cuando la gente lo usa como cátodo, tienen que descargar el material a 1,5 voltios", dijo. "Pero cuando miramos la estructura del material del cátodo a 1,5 voltios, pensamos que este material tiene una estructura especial que puedeser capaz de albergar más iones de litio, lo que significa que puede llegar a un voltaje aún más bajo para funcionar como un ánodo ".
En el estudio, el equipo descubrió que su ánodo de sal de roca desordenado podría ciclar reversiblemente dos iones de litio a un voltaje promedio de 0,6 V, más alto que los 0,1 V del grafito, eliminando el revestimiento de metal de litio a una alta tasa de carga que hace que la bateríamás seguro, pero más bajo que los 1,5 V a los que el titanato de litio intercala el litio y, por lo tanto, almacena mucha más energía.
Los investigadores demostraron que el ánodo Li3V2O5 se puede ciclar durante más de 6.000 ciclos con una disminución de capacidad insignificante, y puede cargar y descargar energía rápidamente, entregando más del 40 por ciento de su capacidad en 20 segundos. El bajo voltaje y la alta tasa de transferencia de energía sondebido a un mecanismo de intercalación de litio redistributivo único con barreras de baja energía.
El erudito postdoctoral Zhuoying Zhu, del Laboratorio virtual de materiales del profesor Shyue Ping Ong, realizó cálculos teóricos para comprender por qué el ánodo desordenado de sal de roca Li3V2O5 funciona tan bien como lo hace.
"Descubrimos que Li3V2O5 opera a través de un mecanismo de carga que es diferente de otros materiales de electrodos. Los iones de litio se reorganizan de una manera que da como resultado tanto bajo voltaje como una rápida difusión del litio", dijo Zhuoying Zhu.
"Creemos que hay otros materiales de electrodos esperando a ser descubiertos que operan con un mecanismo similar", agregó Ong.
Los estudios experimentales en UC San Diego fueron financiados por premios del fondo de inicio de UC San Diego a Ping Liu, mientras que los estudios teóricos fueron financiados por el Departamento de Energía y los Bloques de Construcción de Infraestructura de Datos de la Fundación Nacional de Ciencias DIBBS Datos de espectroscopía localPrograma de infraestructura y recursos usados en el Centro de Supercomputación de San Diego proporcionados bajo el Ambiente de Descubrimiento de Ingeniería y Ciencia Extrema XSEDE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Katherine Connor. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :