Un equipo de investigación de la Universidad de Northwestern ha encontrado formas de estabilizar una nueva batería con una capacidad de carga récord. Basado en un cátodo de óxido de litio-manganeso, el avance podría permitir que los teléfonos inteligentes y los automóviles que funcionan con baterías duren más del doblelargo entre cargas.
"Este electrodo de batería se ha dado cuenta de una de las capacidades más altas reportadas para todos los electrodos basados en óxido de metal de transición. Es más del doble de la capacidad de los materiales actualmente en su teléfono celular o computadora portátil", dijo Christopher Wolverton, el JeromeB. Cohen Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, quien dirigió el estudio: "Este tipo de alta capacidad representaría un gran avance hacia el objetivo de las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos".
El estudio fue publicado en línea el 14 de mayo en Avances científicos .
Las baterías de iones de litio funcionan al transportar iones de litio de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo. El cátodo está hecho de un compuesto que comprende iones de litio, un metal de transición y oxígeno. El metal de transición, típicamente cobalto, almacena y libera eficazmenteenergía eléctrica cuando los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo y viceversa. La capacidad del cátodo está limitada por el número de electrones en el metal de transición que pueden participar en la reacción.
Un equipo de investigación francés reportó por primera vez el compuesto de óxido de litio-manganeso de gran capacidad en 2016. Al reemplazar el cobalto tradicional con manganeso menos costoso, el equipo desarrolló un electrodo más barato con más del doble de capacidad. Pero no fue sin sudesafíos. El rendimiento de la batería se degradó tan significativamente en los primeros dos ciclos que los investigadores no lo consideraron comercialmente viable. Tampoco entendieron completamente el origen químico de la gran capacidad o la degradación.
Después de componer una imagen detallada, átomo por átomo, del cátodo, el equipo de Wolverton descubrió la razón detrás de la alta capacidad del material: obliga al oxígeno a participar en el proceso de reacción. Al usar oxígeno, además del metal de transición,- para almacenar y liberar energía eléctrica, la batería tiene una mayor capacidad para almacenar y usar más litio.
A continuación, el equipo de Northwestern se centró en estabilizar la batería para evitar su rápida degradación.
"Armados con el conocimiento del proceso de carga, utilizamos cálculos de alto rendimiento para escanear a través de la tabla periódica para encontrar nuevas formas de alear este compuesto con otros elementos que podrían mejorar el rendimiento de la batería", dijo Zhenpeng Yao, coprimer autorautor del artículo y ex alumno de doctorado en el laboratorio de Wolverton.
Los cálculos identificaron dos elementos: cromo y vanadio. El equipo predice que mezclar cualquiera de los elementos con óxido de litio-manganeso producirá compuestos estables que mantengan la alta capacidad sin precedentes del cátodo. A continuación, Wolverton y sus colaboradores probarán experimentalmente estos compuestos teóricos enel laboratorio.
Esta investigación fue apoyada como parte del Centro para la Ciencia de la Energía Electroquímica, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Ciencia, Ciencia de la Energía Básica con el número de premio DE-AC02-06CH11357. Yao, actualmente uninvestigador postdoctoral en la Universidad de Harvard, y Soo Kim, investigador postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, son ex miembros del laboratorio de Wolverton y fueron los primeros autores del artículo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Amanda Morris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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