Un electrodo de batería similar al papel desarrollado por un ingeniero de la Universidad del Estado de Kansas puede mejorar las herramientas para la exploración espacial o los vehículos aéreos no tripulados.
Gurpreet Singh, profesor asociado de ingeniería mecánica y nuclear, y su equipo de investigación creó el electrodo de batería usando oxicarburo de silicio-vidrio y grafeno.
El electrodo de la batería tiene todas las características correctas. Es más del 10 por ciento más liviano que otros electrodos de la batería. Tiene una eficiencia de ciclo cercana al 100 por ciento para más de 1000 ciclos de descarga de carga. Está hecho de materiales de bajo costo que son subproductosde la industria de la silicona. Y funciona a temperaturas tan bajas como menos 15 grados C, lo que le da numerosas aplicaciones aéreas y espaciales.
La investigación aparece en Comunicaciones de la naturaleza artículo "Electrodo de papel compuesto de vidrio y grafeno de oxicarburo de silicio para baterías de iones de litio de ciclo largo"
El equipo de investigación de Singh ha estado explorando nuevas combinaciones de materiales para baterías y diseño de electrodos. Ha sido difícil incorporar grafeno y silicio en baterías prácticas debido a los desafíos que surgen a altas cargas de masa, como baja capacidad por volumen, poca eficiencia de cicloe inestabilidad químico-mecánica.
El equipo de Singh ha abordado estos desafíos mediante la fabricación de un electrodo autoportante y listo para usar que consiste en una cerámica vítrea llamada oxicarburo de silicio intercalada entre grandes plaquetas de grafeno modificado químicamente, o CMG. El electrodo tiene una alta capacidad de aproximadamente600 miliamperios-hora por gramo - 400 miliamperios-hora por centímetro cúbico - que se deriva del oxicarburo de silicio. El diseño similar al papel está hecho de plaquetas de grafeno modificadas químicamente en un 20 por ciento.
"El diseño similar al papel es marcadamente diferente de los electrodos utilizados en las baterías actuales porque elimina el soporte de la lámina de metal y el pegamento polimérico, los cuales no contribuyen a la capacidad de la batería", dijo Singh.
El diseño que desarrolló el equipo de Singh ahorró aproximadamente un 10 por ciento en el peso total de la celda. El resultado es un electrodo liviano capaz de almacenar iones de litio y electrones con una eficiencia de ciclo cercana al 100 por ciento durante más de 1000 ciclos de descarga de carga. El más importanteEl aspecto es que el material es capaz de demostrar tal desempeño a niveles prácticos, dijo Singh.
Las celdas de electrodos de papel también pueden entregar una capacidad de 200 miliamperios-hora por gramo incluso cuando se mantienen a menos 15 grados C durante aproximadamente un mes, lo cual es bastante notable teniendo en cuenta que la mayoría de las baterías no funcionan a temperaturas tan bajas, Singhdijo.
"Esto sugiere que las baterías recargables de electrodos de vidrio de silicio y grafeno también pueden ser adecuadas para vehículos aéreos no tripulados que vuelan a gran altura, o tal vez incluso para aplicaciones espaciales", dijo Singh.
El material de oxicarburo de silicio en sí mismo es bastante especial, dijo Singh. Se prepara calentando una resina líquida hasta el punto en que se descompone y se transforma en partículas afiladas como el vidrio. Los átomos de silicio, carbono y oxígeno se reorganizan en una estructura aleatoria en 3-Dy cualquier exceso de carbono precipita en regiones celulares. Tal estructura abierta en 3-D crea grandes sitios para el almacenamiento reversible de litio y canales lisos para el transporte de iones de litio. Esta estructura y mecanismo de almacenamiento de litio es diferente de los electrodos de silicio cristalino. Electrodos de oxicarburo de siliciose espera que sean de bajo costo porque la materia prima - resina líquida - es un subproducto de la industria del silicón.
En el futuro, Singh y su equipo quieren abordar desafíos prácticos. El objetivo de Singh es producir este material de electrodo en dimensiones aún mayores. Por ejemplo, las baterías de celda de lápiz actuales usan electrodos de lámina de cobre recubiertos de grafito que son más de unopie de longitud. Al equipo también le gustaría realizar pruebas de flexión mecánica para ver cómo afectan los parámetros de rendimiento.
"En última instancia, nos gustaría trabajar con la industria para explorar la producción de celdas llenas de baterías de iones de litio", dijo Singh. "El oxicarburo de silicio también se puede preparar mediante impresión 3D, que es otra área de interés para nosotros"."
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Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Kansas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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