Un nuevo prototipo de una batería de litio-azufre, que podría tener cinco veces la densidad de energía de una batería de iones de litio típica supera uno de los obstáculos clave que impiden su desarrollo comercial al imitar la estructura de las células que nos permitenpara absorber nutrientes
Los investigadores han desarrollado un prototipo de una batería de litio-azufre de próxima generación que se inspira en parte en las células que recubren el intestino humano. Las baterías, si se desarrollan comercialmente, tendrían cinco veces la densidad de energía de las baterías de iones de litioutilizado en teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos.
El nuevo diseño, realizado por investigadores de la Universidad de Cambridge, supera uno de los problemas técnicos clave que obstaculizan el desarrollo comercial de las baterías de litio y azufre, al evitar la degradación de la batería causada por la pérdida de material en su interior. Los resultados sonreportado en el diario Materiales funcionales avanzados .
Trabajando con colaboradores del Instituto de Tecnología de Beijing, los investigadores de Cambridge con base en el equipo del Dr. Vasant Kumar en el Departamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia desarrollaron y probaron un material nanoestructurado liviano que se asemeja a vellosidades, las protuberancias en forma de dedos que recubren el intestino delgado.En el cuerpo humano, las vellosidades se utilizan para absorber los productos de la digestión y aumentar el área de superficie sobre la cual puede llevarse a cabo este proceso.
En la nueva batería de litio-azufre, una capa de material con una estructura similar a una vellosidad, hecha de pequeños cables de óxido de zinc, se coloca en la superficie de uno de los electrodos de la batería. Esto puede atrapar fragmentos del material activo cuandosepararse, manteniéndolos accesibles electroquímicamente y permitiendo que el material sea reutilizado.
"Es una cosa pequeña, esta capa, pero es importante", dijo el coautor del estudio, el Dr. Paul Coxon, del Departamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia de Cambridge. "Esto nos ayuda a superar el cuello de botella que impide el desarrollo de mejores condiciones".baterías "
Una batería de iones de litio típica está hecha de tres componentes separados: un ánodo electrodo negativo, un cátodo electrodo positivo y un electrolito en el medio. Los materiales más comunes para el ánodo y el cátodo son grafito y óxido de cobalto de litiorespectivamente, que tienen estructuras en capas. Los iones de litio cargados positivamente se mueven hacia adelante y hacia atrás desde el cátodo, a través del electrolito y hacia el ánodo.
La estructura cristalina de los materiales de los electrodos determina cuánta energía puede exprimirse en la batería. Por ejemplo, debido a la estructura atómica del carbono, cada átomo de carbono puede absorber seis iones de litio, lo que limita la capacidad máxima de la batería.
El azufre y el litio reaccionan de manera diferente, a través de un mecanismo de transferencia de múltiples electrones, lo que significa que el azufre elemental puede ofrecer una capacidad teórica mucho mayor, lo que resulta en una batería de litio-azufre con una densidad de energía mucho mayor. Sin embargo, cuando la batería se descarga, el litio yel azufre interactúa y las moléculas de azufre en forma de anillo se transforman en estructuras en forma de cadena, conocidas como poli-sulfuros. A medida que la batería sufre varios ciclos de carga y descarga, los fragmentos de poli-sulfuro pueden entrar en el electrolito, de modo que con el tiempo ella batería pierde gradualmente el material activo.
Los investigadores de Cambridge han creado una capa funcional que se encuentra en la parte superior del cátodo y fija el material activo a un marco conductor para que el material activo pueda reutilizarse. La capa está compuesta de pequeños nanocables unidimensionales de óxido de zinc cultivados enun andamio. El concepto se probó utilizando espuma de níquel disponible comercialmente como soporte. Después de resultados exitosos, la espuma fue reemplazada por una estera de fibra de carbono liviana para reducir el peso total de la batería.
"El cambio de una espuma rígida de níquel a una estera de fibra de carbono flexible hace que la capa imite la forma en que el intestino delgado funciona aún más", dijo el coautor del estudio, el Dr. Yingjun Liu.
Esta capa funcional, como las vellosidades intestinales a las que se asemeja, tiene un área superficial muy alta. El material tiene un enlace químico muy fuerte con los poli-sulfuros, lo que permite que el material activo se use por más tiempo, lo que aumenta en gran medida la vida útil delbatería.
"Esta es la primera vez que se propone una capa químicamente funcional con una nanoarquitectura bien organizada para atrapar y reutilizar los materiales activos disueltos durante la carga y descarga de la batería", dijo el autor principal del estudio, Teng Zhao, estudiante de doctorado deDepartamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia. "Al inspirarnos en el mundo natural, pudimos encontrar una solución que esperamos acelere el desarrollo de baterías de próxima generación".
Por el momento, el dispositivo es una prueba de principio, por lo que las baterías de litio-azufre disponibles comercialmente todavía están a unos años de distancia. Además, aunque la cantidad de veces que la batería se puede cargar y descargar se ha mejorado, todavíano puede pasar por tantos ciclos de carga como una batería de iones de litio. Sin embargo, dado que una batería de litio-azufre no necesita cargarse tan a menudo como una batería de iones de litio, es posible que el aumento de la densidad de energíacancela el menor número total de ciclos de carga-descarga.
"Esta es una forma de sortear uno de esos pequeños problemas incómodos que nos afectan a todos", dijo Coxon. "Todos estamos atados a nuestros dispositivos electrónicos; en última instancia, solo estamos tratando de hacer esos dispositivostrabajar mejor, con suerte haciendo nuestras vidas un poco más agradables "
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Materiales proporcionado por Universidad de Cambridge . La historia original tiene licencia bajo a Licencia Creative Commons . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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