Menos puede ser más en las baterías de próxima generación
El proceso de desarrollo de mejores baterías recargables puede ser turbio, pero hay un revestimiento de alúmina.
Los ingenieros de la Universidad de Rice construyeron baterías completas de iones de litio con ánodos de silicio y una capa de alúmina para proteger los cátodos de la degradación. Al limitar su densidad de energía, las baterías prometen una excelente estabilidad para el transporte y el uso de almacenamiento en la red.
Jeff Fitlow/Rice University
Los ingenieros de la Universidad de Rice construyeron baterías de iones de litio con ánodos de silicio y una capa de alúmina para proteger los cátodos de la degradación.
Illustration courtesy of the Biswal Lab/Rice University
Una fina capa de óxido metálico aplicada a cátodos comunes por los ingenieros de la Escuela de Ingeniería Brown de la Universidad de Rice reveló nuevos fenómenos que podrían dar lugar a baterías mejor adaptadas a los coches eléctricos y a un almacenamiento de energía fuera de la red más robusto.
El estudio en la Sociedad Americana de Química de Materiales de Energía Aplicada ACS describe un mecanismo previamente desconocido por el cual el litio queda atrapado en las baterías, limitando así el número de veces que puede ser cargado y descargado a plena potencia.
Pero esta característica no disminuye las esperanzas de que en algunas situaciones, estas baterías puedan ser las adecuadas.
El laboratorio de Rice de la ingeniera química y biomolecular Sibani Lisa Biswal encontró un punto dulce en las baterías que, al no agotar su capacidad de almacenamiento, podía proporcionar un ciclo constante y estable para las aplicaciones que lo necesiten.
Biswal dijo que las baterías convencionales de iones de litio utilizan ánodos con base de grafito que tienen una capacidad de menos de 400 miliamper horas por gramo (mAh/g), pero los ánodos de silicio tienen potencialmente 10 veces esa capacidad. Eso tiene un inconveniente: El silicio se expande al alearse con el litio, acentuando el ánodo. Al hacer el silicio poroso y limitar su capacidad a 1.000 mAh/g, las baterías de prueba del equipo proporcionaron un ciclo estable con una capacidad todavía excelente.
"La capacidad máxima pone mucha tensión en el material, por lo que esta es una estrategia para obtener capacidad sin el mismo grado de tensión", dijo Biswal. "1.000 miliamp horas por gramo sigue siendo un gran salto".
El equipo dirigido por el becario postdoctoral Anulekha Haridas probó el concepto de emparejar los ánodos de silicio porosos y de alta capacidad (en lugar de grafito) con cátodos de alto voltaje de óxido de níquel, manganeso y cobalto (NMC). Las baterías de iones de litio de célula completa demostraron una ciclabilidad estable a 1.000 mAh/g durante cientos de ciclos.
Algunos cátodos tenían una capa de 3 nanómetros de alúmina (aplicada mediante la deposición de la capa atómica), y otros no. Los que tienen el revestimiento de alúmina protegen el cátodo de la ruptura en presencia de ácido fluorhídrico, que se forma si incluso cantidades diminutas de agua invaden el electrolito líquido. Las pruebas mostraron que el alúmina también aceleró la velocidad de carga de la batería, reduciendo el número de veces que puede ser cargada y descargada.
Parece que hay una gran cantidad de trampas como resultado del rápido transporte de litio a través de la alúmina, dijo Haridas. Los investigadores ya conocían las posibles formas en que los ánodos de silicio atrapan el litio, lo que hace que no esté disponible para alimentar dispositivos, pero dijo que este es el primer informe de que la alúmina misma absorbe el litio hasta que se satura. En ese punto, dijo, la capa se convierte en un catalizador para el transporte rápido hacia y desde el cátodo.
"Este mecanismo de atrapamiento de litio protege eficazmente el cátodo ayudando a mantener una capacidad estable y una densidad de energía para las células completas", dijo Haridas.
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