Si bien las baterías de iones de litio, ampliamente utilizadas en dispositivos móviles, desde teléfonos celulares hasta computadoras portátiles, tienen una de las vidas más largas de las baterías comerciales en la actualidad, también han estado detrás de una serie de fusiones e incendios recientes debido a cortocircuitos en dispositivos móvilesCon la esperanza de prevenir más de estos fallos de funcionamiento peligrosos, los investigadores de la Universidad de Drexel han desarrollado una receta que puede convertir la solución de electrolitos, un componente clave de la mayoría de las baterías, en una protección contra el proceso químico que conduce a desastres relacionados con la batería.
Yury Gogotsi, PhD, Universidad Distinguida y profesor de Bach en la Facultad de Ingeniería, y su equipo de investigación del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, recientemente publicaron su trabajo, titulado "Nanodiamonds Suppress Growth of Lithium Dendrites" - en eldiario Comunicaciones de la naturaleza . En él, describen un proceso por el cual los nanodiamantes, pequeñas partículas de diamante 10,000 veces más pequeñas que el diámetro de un cabello, reducen la deposición electroquímica, llamada recubrimiento, que puede conducir a un cortocircuito peligroso de las baterías de iones de litio.
A medida que las baterías se usan y cargan, la reacción electroquímica da como resultado el movimiento de iones entre los dos electrodos de una batería, que es la esencia de una corriente eléctrica. Con el tiempo, este reposicionamiento de iones puede crear acumulaciones similares a zarcillos.casi como las estalactitas que se forman dentro de una cueva. Estas acumulaciones de baterías, llamadas dendritas, son una de las principales causas del mal funcionamiento de la batería de litio. A medida que las dendritas se forman dentro de la batería con el tiempo, pueden llegar al punto donde empujan a través del separador, un polímero porosopelícula que evita que la parte cargada positivamente de una batería toque la parte cargada negativamente. Cuando se rompe el separador, puede producirse un cortocircuito, que también puede provocar un incendio ya que la solución de electrolitos en la mayoría de las baterías de iones de litio es altamente inflamable.
Para evitar la formación de dendritas y minimizar la probabilidad de incendio, los diseños actuales de baterías incluyen un electrodo hecho de grafito lleno de litio en lugar de litio puro. El uso de grafito como huésped para el litio previene la formación de dendritas. Pero el grafito intercalado con litio tambiénalmacena aproximadamente 10 veces menos energía que el litio puro. El gran avance realizado por el equipo de Gogotsi significa que es posible un gran aumento en el almacenamiento de energía porque la formación de dendrita se puede eliminar en los electrodos de litio puro.
"La seguridad de la batería es un tema clave para esta investigación", dijo Gogotsi. "Las baterías primarias pequeñas en los relojes usan ánodos de litio, pero solo se descargan una vez. Cuando comienzas a cargarlas una y otra vez, las dendritas comienzan a crecer. Puede habervarios ciclos seguros, pero tarde o temprano ocurrirá un cortocircuito. Queremos eliminar o, al menos, minimizar esa posibilidad ".
Gogotsi y sus colaboradores de la Universidad de Tsinghua en Beijing, y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hauzhong en Wuhan, China, centraron su trabajo en hacer que los ánodos de litio sean más estables y las placas de litio más uniformes para que las dendritas no crezcan.
Lo están haciendo agregando nanodiamantes a la solución de electrolitos en una batería. Los nanodiamantes se han utilizado en la industria de galvanoplastia durante algún tiempo como una forma de hacer que los recubrimientos metálicos sean más uniformes. Si bien son mucho, mucho más pequeños y más baratos- que los diamantes que encontraría en la caja de un joyero, los nanodiamantes aún conservan la estructura y la forma regular de sus progenitores costosos. Cuando se depositan, se deslizan naturalmente para formar una superficie lisa.
Los investigadores encontraron que esta propiedad es extremadamente útil para eliminar la formación de dendritas. En el artículo, explican que los iones de litio se pueden unir fácilmente a los nanodiamantes, por lo que cuando están chapando el electrodo lo hacen de la misma manera ordenada que las partículas de nanodiamantesa los que están vinculados. Informan en el documento que mezclar nanodiamantes en la solución electrolítica de una batería de iones de litio reduce la formación de dendritas a cero a través de 100 ciclos de carga y descarga.
Si lo piensas como un juego de Tetris, ese montón de bloques no coincidentes que se acercan peligrosamente a "game over" es el equivalente de una dendrita. Agregar nanodiamantes a la mezcla es como usar un código de trucos que desliza cada nuevobloquee en el lugar adecuado para completar una línea y evitar que se forme una torre amenazante.
Gogotsi señala que el descubrimiento de su grupo es solo el comienzo de un proceso que eventualmente podría ver aditivos de electrolitos, como los nanodiamantes, ampliamente utilizados para producir baterías de litio seguras con una alta densidad de energía. Los resultados iniciales ya muestran un ciclo estable de carga y descarga durante tanto tiempocomo 200 horas, que es lo suficientemente largo para su uso en algunas aplicaciones industriales o militares, pero no es lo suficientemente adecuado para baterías usadas en computadoras portátiles o teléfonos celulares. Los investigadores también necesitan probar una gran cantidad de celdas de batería durante un período de tiempo lo suficientemente largo bajo varioscondiciones físicas y temperaturas para garantizar que las dendritas nunca crezcan.
"Potencialmente cambia el juego, pero es difícil estar 100 por ciento seguro de que las dendritas nunca crecerán", dijo Gogotsi. "Anticipamos que el primer uso de nuestra tecnología propuesta será en aplicaciones menos críticas, no en teléfonos celulareso baterías de automóvil. Para garantizar la seguridad, los aditivos a los electrolitos, como los nanodiamantes, deben combinarse con otras precauciones, como el uso de electrolitos no inflamables, materiales de electrodos más seguros y separadores más fuertes ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :