20.02.2020 - University of California, San Diego

El dispositivo de ultrasonido mejora el tiempo de carga y el tiempo de funcionamiento en las baterías de litio

El dispositivo lleva a las baterías de metal de litio un paso más cerca de la viabilidad comercial

Investigadores de la Universidad de California en San Diego desarrollaron un dispositivo emisor de ultrasonidos que acerca las baterías de metal de litio, o LMB, un paso más a la viabilidad comercial. Aunque el equipo de investigación se centró en los LMB, el dispositivo puede ser utilizado en cualquier batería, independientemente de la 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, durante la carga que conducen a una disminución del rendimiento y a cortocircuitos en los LMB.

El dispositivo está hecho de componentes de teléfonos inteligentes de venta en tiendas, que generan ondas de sonido a frecuencias extremadamente altas, que van desde 100 millones a 10 mil millones de hertzios. En los teléfonos, estos dispositivos se utilizan principalmente para filtrar la señal celular inalámbrica e identificar y filtrar las llamadas de voz y los datos. Los investigadores los usaron en su lugar para generar un flujo dentro del electrolito de la batería.

"Los avances en la tecnología de los teléfonos inteligentes son realmente lo que nos permitió utilizar los ultrasonidos para mejorar la tecnología de las baterías", dijo James Friend, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Escuela de Ingeniería Jacobs de 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 los vehículos eléctricos hasta los 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 hoy en día. Por ejemplo, los vehículos eléctricos alimentados con metal de litio tendrían el doble de autonomía que los vehículos alimentados con iones de litio, para el mismo peso de la batería.

Los investigadores demostraron que una batería de metal de litio 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 las baterías de alta energía todo en uno", dijo Ping Liu, profesor de nanoingeniería en la Escuela Jacobs y el otro autor principal del trabajo. "Es emocionante y efectivo".

El equipo detalla su trabajo en el número XX de la revista Advanced Materials.

La mayoría de los esfuerzos de investigación de baterías se centran en encontrar la química perfecta para desarrollar baterías que duren más tiempo y se carguen más rápido, dijo Liu. Por el contrario, el equipo de la UC San Diego trató de resolver un problema fundamental: el hecho de que en las baterías metálicas tradicionales, el líquido electrolítico entre el cátodo y el ánodo es estático. Como resultado, cuando la batería se carga, el ión de litio del electrolito se agota, lo que hace más probable que el litio se deposite de forma desigual en el ánodo. Esto a su vez causa el desarrollo de estructuras similares a agujas 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 las ondas de ultrasonido a través de la batería, el dispositivo hace que el electrolito fluya, reponiendo el litio en el electrolito y haciendo más probable que el litio forme depósitos uniformes y densos en el ánodo durante la carga.

La parte más difícil del proceso fue el diseño del dispositivo, dijo An Huang, el primer autor del artículo y un estudiante de doctorado en ciencia de materiales en la UC San Diego. El reto era trabajar a escalas extremadamente pequeñas, entender los fenómenos físicos involucrados y encontrar una forma efectiva de integrar el dispositivo dentro de la batería.

"Nuestro próximo paso será integrar esta tecnología en las baterías comerciales de iones de litio", dijo Haodong Liu, co-autor del artículo e investigador postdoctoral de nanoingeniería en la Escuela Jacobs.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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