11.04.2022 - Tsinghua University

El novedoso uso de nanofibras de carbono recubiertas de hierro permite el almacenamiento de energía de alto rendimiento

Un nuevo estudio realizado por investigadores chinos demuestra un novedoso enfoque para mejorar el rendimiento de almacenamiento de baterías y condensadores. Los investigadores desarrollaron una forma sencilla y eficaz de producir un material con excelentes prestaciones para su uso en dispositivos que dependen del almacenamiento de iones de litio. Publicaron sus resultados en Nanoinvestigación el 1 de abril.

¿Por qué el litio?

Las tecnologías de almacenamiento de energía son cada vez más importantes a medida que el mundo avanza hacia la neutralidad del carbono, buscando una mayor electrificación de los sectores de la automoción y las energías renovables. La tecnología de iones de litio es fundamental para impulsar este cambio. "Entre todos los candidatos disponibles, los dispositivos de almacenamiento de energía que emplean la química de almacenamiento del litio, como las baterías de iones de litio y los condensadores de iones de litio, podrían ofrecer el mejor rendimiento en la fase actual", afirma el autor del estudio, Han Hu, investigador del Instituto de Nuevas Energías de la Universidad China del Petróleo.

Sin embargo, la utilización de la tecnología de iones de litio en el almacenamiento de energía está limitada por su eficiencia en relación con el tamaño. Un estudio de 2021 citado por los autores afirma que, para mejorar la competitividad de los vehículos eléctricos en el mercado, las baterías de iones de litio deben ser más eficientes tanto en peso como en volumen. Por lo tanto, la mejora de la capacidad de almacenamiento puede ser clave para alcanzar los objetivos de neutralidad de carbono, lo que hace que la investigación sobre el rendimiento de las baterías de iones de litio y los condensadores mediante el uso de materiales novedosos sea de vital importancia.

Construcción de un nuevo material

Los materiales carbonosos dopados con nitrógeno son la opción dominante actualmente en las baterías y condensadores de almacenamiento de litio, siendo la transferencia de electrones e iones los procesos fundamentales para el almacenamiento electroquímico de energía. Sin embargo, como los materiales carbonosos son no polares -con cargas distribuidas por igual en sus moléculas-, el litio cargado (Li+) no se adhiere fácilmente a los materiales, a pesar de su configuración no saturada que le confiere una energía de enlace adecuada.

Por ello, los investigadores recubrieron las nanofibras de carbono con hierro (Fe) para regular la química de su superficie y facilitar una mayor transferencia de electrones e iones. Utilizando electrospinning, produjeron una serie de muestras de nanofibras de carbono con contenidos de Fe. A continuación, evaluaron el rendimiento de almacenamiento de Li+ de las muestras mediante diversos métodos de prueba electroquímicos. La microscopía electrónica de barrido y de transmisión reveló una red interconectada en 3D de fibras lisas sin grumos de partículas de hierro, lo que indica que estaban bien dispersas.

Los resultados revelaron que la adición de Fe atómico cambiaba la estructura electrónica de los materiales de carbono para promover una mayor conductividad eléctrica, así como para reducir la resistencia a la difusión del Li+. Los investigadores explican que el rendimiento electroquímico mejoró principalmente por un efecto sinérgico del Fe atómico y la formación de un enlace Fe-N que expuso más esencias activas a las que el Li+ podía adherirse. El resultado fue la mejora del rendimiento del almacenamiento de litio. El ánodo fabricado proporcionó una potencia eléctrica sostenida a lo largo de 5.000 ciclos de alta densidad de corriente, proporcionando tanto una alta energía como una gran densidad de potencia. Su estructura de fibras entrelazadas le confirió estabilidad estructural y mejoró la conductividad.

La autora del estudio, Yanan Li, también investigadora de la Universidad del Petróleo de China, explica cómo la conformación de los materiales que se ha puesto a punto en este estudio "logró un almacenamiento cinéticamente acelerado de Li+ y un rendimiento decente con cargas de masa elevadas", utilizando "un método sencillo para producir nanofibras de carbono decoradas con Fe atómico".

De cara al futuro

Los autores del estudio subrayan que el uso de nanofibras de carbono podría salvar la distancia entre la investigación básica y las aplicaciones prácticas. Prevén la adopción del novedoso material para su uso en una serie de dispositivos de almacenamiento de energía. "Las alfombras de nanofibras de carbono electrohiladas son muy flexibles, lo que sugiere la posibilidad de construir dispositivos de almacenamiento de energía flexibles y portátiles", afirma Hu. Las alfombras de nanofibras de carbono servirían de electrodos. Además, los investigadores pretenden explorar el uso de otros metales de un solo átomo como el sodio, el potasio y el zinc para aumentar el almacenamiento de energía electroquímica.

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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