En el papel, no parece que la batería súper rica en litio de Christopher Wolverton deba funcionar. Por un lado, la batería nueva usa hierro, un metal económico que ha fallado notoriamente en las baterías. Y en otra hazaña difícil, la batería aprovecha el oxígenopara ayudar a impulsar la reacción química, que los investigadores creían anteriormente que haría que la batería se volviera inestable.
Pero no solo la batería funciona, también lo hace increíblemente bien.
Al asociarse con investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne, el grupo de Wolverton en la Universidad Northwestern desarrolló una batería recargable de óxido de litio-hierro que puede reciclar más iones de litio que su contraparte común de óxido de litio-cobalto.
El resultado es una batería de mucha mayor capacidad que podría permitir que los teléfonos inteligentes y los automóviles que funcionan con baterías duren mucho más tiempo.
"Nuestra predicción computacional de esta reacción de la batería es muy emocionante, pero sin confirmación experimental, habría muchos escépticos", dijo Wolverton, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. "El hecho de que realmentefunciona es notable "
Apoyado por el programa del Centro de Investigación de la Frontera Energética del Departamento de Energía de EE. UU., La investigación se publicó recientemente en Energía natural . Zhenpeng Yao, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Wolverton, y Chun Zhan, un becario postdoctoral en Argonne, fueron los primeros autores del artículo. Wolverton y Yao dirigieron el desarrollo computacional, y Argonne dirigió el componente experimental de la investigación.
Las baterías de iones de litio funcionan al mover iones de litio de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo. Cuando se carga la batería, los iones se mueven de regreso al ánodo, donde se almacenan. El cátodo está hecho de un compuesto que comprende litioiones, un metal de transición y oxígeno. El metal de transición, que generalmente es cobalto, almacena y libera energía eléctrica de manera efectiva cuando los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo y viceversa. La capacidad del cátodo se ve limitada por la cantidad de electrones.en el metal de transición que puede participar en la reacción.
"En el caso convencional, el metal de transición está haciendo la reacción", dijo Wolverton. "Debido a que solo hay un ion de litio por cobalto, eso limita la cantidad de carga que se puede almacenar. Lo peor es que las baterías actuales en suel teléfono celular o la computadora portátil generalmente solo usan la mitad del litio en el cátodo "
La batería de óxido de litio-cobalto ha estado en el mercado durante 20 años, pero los investigadores han buscado durante mucho tiempo un reemplazo menos costoso y de mayor capacidad. El equipo de Wolverton ha mejorado la batería común de óxido de litio-cobalto aprovechando dos estrategias:reemplazar el cobalto con hierro y forzar al oxígeno a participar en el proceso de reacción.
Si el oxígeno también pudiera almacenar y liberar energía eléctrica, la batería tendría una mayor capacidad para almacenar y usar más litio. Aunque otros grupos de investigación han intentado esta estrategia en el pasado, pocos la han hecho funcionar.
"El problema anteriormente era que a menudo, si intentabas que el oxígeno participara en la reacción, el compuesto se volvería inestable", dijo Yao. "El oxígeno se liberaría de la batería, haciendo que la reacción sea irreversible".
A través de cálculos computacionales, Wolverton y Yao descubrieron una formulación que funciona de manera reversible. Primero, reemplazaron el cobalto con hierro, lo cual es ventajoso porque es uno de los elementos más baratos en la tabla periódica. Segundo, al usar el cálculo, descubrieron el equilibrio correcto deiones de litio, hierro y oxígeno para permitir que el oxígeno y el hierro impulsen simultáneamente una reacción reversible sin permitir que escape el gas oxígeno.
"La batería no solo tiene una química interesante porque estamos obteniendo electrones tanto del metal como del oxígeno, sino que estamos usando hierro", dijo Wolverton. "Eso tiene el potencial de hacer una mejor batería que también sea barata"
Y quizás aún más importante, la batería totalmente recargable comienza con cuatro iones de litio, en lugar de uno. La reacción actual puede explotar de manera reversible uno de estos iones de litio, aumentando significativamente la capacidad más allá de las baterías actuales. Pero el potencial para reciclar los cuatroy hacia adelante usando hierro y oxígeno para impulsar la reacción es tentador.
"Cuatro iones de litio para cada metal, eso lo cambiaría todo", dijo Wolverton. "Eso significa que su teléfono podría durar ocho veces más o que su automóvil podría conducir ocho veces más. Si los automóviles con batería pueden competir o superarautomóviles que funcionan con gasolina en términos de alcance y costo, eso cambiará el mundo ".
Wolverton ha presentado una patente provisional para la batería ante la Oficina de Innovación y Nuevas Empresas de Northwestern. Luego, él y su equipo planean explorar otros compuestos donde esta estrategia podría funcionar.
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Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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