Para satisfacer las demandas de un futuro eléctrico, las nuevas tecnologías de baterías serán esenciales. Una opción son las baterías de azufre de litio, que ofrecen una densidad de energía teórica más de cinco veces mayor que la de las baterías de iones de litio. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia,recientemente reveló un avance prometedor para este tipo de batería, utilizando un catolito con la ayuda de una esponja de grafeno.
La idea novedosa de los investigadores es un aerogel poroso, similar a una esponja, hecho de óxido de grafeno reducido, que actúa como un electrodo independiente en la celda de la batería y permite una mejor y mayor utilización del azufre.
Una batería tradicional consta de cuatro partes. Primero, hay dos electrodos de soporte recubiertos con una sustancia activa, que se conocen como un ánodo y un cátodo. Entre ellos hay un electrolito, generalmente un líquido, que permite la transferencia de ionesEl cuarto componente es un separador, que actúa como una barrera física, evitando el contacto entre los dos electrodos y permitiendo la transferencia de iones.
Los investigadores experimentaron previamente combinando el cátodo y el electrolito en un líquido, el llamado 'catolito'. El concepto puede ayudar a ahorrar peso en la batería, así como ofrecer una carga más rápida y mejores capacidades de potencia. Ahora, con el desarrollodel aerogel de grafeno, el concepto ha demostrado ser viable, ofreciendo algunos resultados muy prometedores.
Tomando una caja de batería de celda de moneda estándar, los investigadores primero insertan una capa delgada del aerogel de grafeno poroso.
"Toma el aerogel, que es un cilindro largo y delgado, y luego lo corta, casi como un salami. Toma esa rebanada y la comprime para que quepa en la batería", dice Carmen Cavallo, del Departamento deFísica en Chalmers e investigador principal del estudio. Luego, se agrega una solución rica en azufre, el catolito, a la batería. El aerogel altamente poroso actúa como soporte, absorbiendo la solución como una esponja.
"La estructura porosa del aerogel de grafeno es clave. Absorbe una gran cantidad de catolito, dándole una carga de azufre lo suficientemente alta como para que el concepto de catolito valga la pena. Este tipo de catolito semi-líquido es realmente esencial aquí. Permiteel azufre circula de un lado a otro sin pérdidas. No se pierde por disolución, porque ya está disuelto en la solución de catolito ", dice Carmen Cavallo.
Parte de la solución de catolito se aplica también al separador, para que cumpla su función electrolítica. Esto también maximiza el contenido de azufre de la batería.
La mayoría de las baterías actualmente en uso, en todo, desde teléfonos móviles hasta autos eléctricos, son baterías de iones de litio. Pero este tipo de batería está llegando a sus límites, por lo que las nuevas químicas se están volviendo esenciales para aplicaciones con mayores requisitos de energía. Las baterías de litio azufre ofrecenvarias ventajas, incluida una densidad de energía mucho mayor. Las mejores baterías de iones de litio actualmente en el mercado funcionan a aproximadamente 300 vatios-hora por kg, con un máximo teórico de alrededor de 350. Mientras tanto, las baterías de azufre de litio tienen una densidad de energía teórica de alrededor de 1000-1500 vatios-hora por kg.
"Además, el azufre es barato, muy abundante y mucho más ecológico. Las baterías de azufre de litio también tienen la ventaja de no tener que contener flúor perjudicial para el medio ambiente, como se encuentra comúnmente en las baterías de iones de litio", dice Aleksandar Matic, profesoren el Departamento de Física de Chalmers, que lidera el grupo de investigación detrás del artículo.
El problema con las baterías de azufre de litio hasta ahora ha sido su inestabilidad y la consiguiente baja vida útil del ciclo. Las versiones actuales se degeneran rápidamente y tienen una vida útil limitada con un número prácticamente bajo de ciclos. Pero al probar su nuevo prototipo, los investigadores de Chalmersdemostró una retención de capacidad del 85% después de 350 ciclos.
El nuevo diseño evita los dos problemas principales con la degradación de las baterías de azufre de litio: una, que el azufre se disuelve en el electrolito y se pierde, y dos, un 'efecto de desplazamiento', por el cual las moléculas de azufre migran del cátodo al ánodoEn este diseño, estos problemas indeseables pueden reducirse drásticamente.
Lea el artículo, "Un aerogel de óxido de grafeno reducido independiente como electrodo de soporte en una batería de Li-S catolito de Li2S8 sin flúor" publicado en el Journal of Power Sources.
Un largo viaje al potencial comercial
Los investigadores señalan, sin embargo, que aún queda un largo camino por recorrer antes de que la tecnología pueda alcanzar el potencial de mercado completo ". Dado que estas baterías se producen de una manera alternativa a la mayoría de las baterías normales, será necesario desarrollar nuevos procesos de fabricación parahacerlos comercialmente viables ", dice Aleksandar Matic.
Más sobre los laboratorios Chalmers utilizados en esta investigación
Los investigadores investigaron la estructura del aerogel de grafeno en el Laboratorio de Análisis de Materiales de Chalmers CMAL. CMAL tiene instrumentos avanzados para la investigación de materiales. El laboratorio pertenece formalmente al Departamento de Física, pero está abierto a todos los investigadores de universidades, institutos yindustria. Los experimentos en este estudio se han llevado a cabo utilizando microscopios electrónicos avanzados y de alta resolución.
Recientemente se han realizado importantes inversiones, por un total de alrededor de 66 millones de coronas suecas para impulsar aún más a CMAL a la vanguardia de la investigación de materiales.
Las inversiones incluyeron la compra de un monocromado y una doble aberración corregida imagen CETCOR y correctores Cs de sonda ASCOR TEM JEOLARM 200 kV 40-200, equipado con una pistola de emisión de campo FEG. Este fue el primer artículo ense publicará con el uso de este nuevo microscopio, que se utilizó para investigar la estructura del aerogel.
El nuevo microscopio, que pesa tanto como un elefante adulto, se inaugurará formalmente el 15 de mayo en una ceremonia en Chalmers.
La Fundación Knut y Alice Wallenberg ha contribuido con alrededor de la mitad de las inversiones.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Chalmers . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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