Las baterías son objetos cotidianos en los que las personas no piensan, hasta que se les acaba el jugo. Eso es especialmente cierto cuanto más ubicuo es un objeto, como las computadoras portátiles y los teléfonos celulares que necesitan cargar sus baterías aparentemente todos los días.
Pero los investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri están trabajando para resolver el problema de la corta duración de las baterías de iones de litio como las que se usan en las computadoras portátiles y los teléfonos celulares, haciéndolas confiables y duraderas usando una técnica de recubrimiento de película delgada llamada capa atómicadeposición ALD. Su artículo, titulado "Empleo del efecto sinérgico del dopaje y el revestimiento de película delgada para aumentar el rendimiento de las partículas de cátodo de la batería de iones de litio", se publicará en Informes científicos , una revista del grupo editorial Nature.
Dr. Xinhua Liang, profesor asistente de ingeniería química y bioquímica en Missouri S&T, dirige el estudio para dopar y recubrir el litio, magnesio, níquel, oxígeno LMNO con óxido de hierro a través de ALD, al mismo tiempo. Dopaje significa agregar un elemento ocompuesto en la estructura cristalina, o enrejado, rellenando los huecos en el LMNO. El revestimiento es lo que parece, colocando capas ultrafinas de óxido de hierro alrededor de todo el compuesto. Rajankumar Patel, candidato a Ph.D. de Missouri S&T en químicaingeniería que se graduará la próxima semana, realizó la mayoría del trabajo experimental en el proyecto.
La ventana de voltaje de funcionamiento de LMNO lo convierte en un candidato potencial para su uso en vehículos eléctricos híbridos HEV. Sin embargo, no ha ganado usabilidad comercial en HEV debido al desvanecimiento de alta capacidad durante el ciclismo a temperaturas elevadas y manganeso 3+disolución por hidrógeno flúor.
"A diferencia de la práctica de investigación actual que cubre la superficie de las partículas con una película aislante o las pega para mejorar el rendimiento de la batería", dice Liang, "este proceso ALD combina los procesos de recubrimiento y dopaje en uno, y aplica esta técnicahace que las baterías recargables de iones de litio duren más tiempo "
"Este es el primer informe de un fenómeno único de hierro iónico que ingresa a la estructura reticular de LMNO durante el proceso de recubrimiento ALD", dice Patel.
Más importante que el aspecto de fabricación es la capacidad de las baterías para ofrecer un rendimiento sostenido durante un largo período de tiempo, lo cual es un gran beneficio para el consumidor. El proceso de Missouri S&T produce baterías de iones de litio que tienen una capacidad de retención del 93 por ciento después1,000 ciclos de carga y descarga a temperatura ambiente y 91 por ciento a temperaturas elevadas, lo que equivale a aproximadamente tres años de duración de la batería con casi el mismo rendimiento que una batería nueva, dice Liang.
El trabajo se realiza con un sistema de reactor ALD que los investigadores de S&T construyeron, y el proceso de recubrimiento se lleva a cabo a 450 grados Celsius bajo presión reducida. Los materiales se colocan dentro de un reactor de lecho fluidizado, y los motores vibratorios sacuden el reactor para mejorarla mezcla de partículas y productos químicos gaseosos. Patel y sus colegas descubrieron que 30 a 40 ciclos, lo que resulta en recubrimientos de aproximadamente 0.6 nanómetros, produjeron los mejores resultados.
La penetración de hierro iónico en la estructura reticular de LMNO se verificó mediante un microscopio electrónico de transmisión de exploración transversal equipado con un espectroscopio dispersivo de energía de electrones STEM-EDS de muestras recubiertas con óxido de hierro, y las películas ultrafinas de óxido de hierro fueron directamenteobservado por un microscopio electrónico de transmisión.
Finalmente, fabrican baterías de celda de moneda, cargando y descargando docenas a la vez en varias condiciones de prueba para medir y garantizar que los resultados se mantengan con el tiempo. ALD tiene el potencial de preparar estas películas electroquímicamente activas ultrafinas con un espesor óptimoy el efecto sinérgico del recubrimiento conductivo y el dopaje de elementos, proporcionando a la industria electrodos de diseño novedoso que son duraderos y funcionales a altas temperaturas y velocidades de ciclo rápidas.
Con todo su trabajo, el fenómeno exacto detrás del proceso que produce mejores características de la batería de iones de litio es un estudio en curso.
"Eso sigue siendo un misterio para nosotros", dice Liang. "Nuestro enfoque es comprender mejor cómo sucede ese proceso y controlarlo".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri . Original escrito por Joe McCune. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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