Los investigadores de ingeniería del Instituto Politécnico de Rensselaer hicieron una hoja de papel con el material más delgado del mundo, grafeno y luego golpeó el papel con un láser o un flash de cámara para mancharlo con innumerables grietas, poros y otras imperfecciones. El resultado es un material de ánodo de grafeno que se puede cargar o descargar 10 veces más rápido que los ánodos de grafito convencionales utilizados en las baterías de iones de litio (Li) actuales.

Las baterías recargables de iones de litio son el estándar de la industria para teléfonos móviles, computadoras portátiles y tabletas, coches eléctricos, y una variedad de otros dispositivos. Si bien las baterías de iones de litio tienen una alta densidad de energía y pueden almacenar grandes cantidades de energía, sufren de una baja densidad de potencia y no pueden aceptar o descargar energía rápidamente. Esta baja densidad de energía es la razón por la que se tarda aproximadamente una hora en cargar la batería de su teléfono móvil o computadora portátil. y por qué los motores de automóviles eléctricos no pueden depender únicamente de las baterías y requieren un supercondensador para funciones de alta potencia como la aceleración y el frenado.

El equipo de investigación de Rensselaer, dirigido por el experto en nanomateriales Nikhil Koratkar, buscó resolver este problema y crear una nueva batería que pudiera contener grandes cantidades de energía pero también aceptar y liberar rápidamente esta energía. Tal innovación podría aliviar la necesidad del complejo emparejamiento de baterías de iones de litio y supercondensadores en automóviles eléctricos. y conducen a algo más simple, motores automotrices de mejor rendimiento basados ​​únicamente en alta energía, Baterías de iones de litio de alta potencia. Koratkar y su equipo confían en su nueva batería, creado por defectos de ingeniería intencional en el grafeno, es un trampolín fundamental en el camino hacia la realización de este gran objetivo. Dichas baterías también podrían acortar significativamente el tiempo que lleva cargar dispositivos electrónicos portátiles desde teléfonos y computadoras portátiles hasta dispositivos médicos utilizados por paramédicos y socorristas.

"La tecnología de las baterías de iones de litio es magnífica, pero verdaderamente obstaculizado por su densidad de potencia limitada y su incapacidad para aceptar o descargar rápidamente grandes cantidades de energía. Al utilizar nuestro papel de grafeno diseñado con defectos en la arquitectura de la batería, Creo que podemos ayudar a superar esta limitación "Dijo Koratkar, el profesor de ingeniería John A. Clark y Edward T. Crossan en Rensselaer. “Creemos que este descubrimiento está listo para su comercialización, y puede tener un impacto significativo en el desarrollo de nuevas baterías y sistemas eléctricos para automóviles eléctricos y aplicaciones de electrónica portátil ”. Los resultados del estudio fueron publicados esta semana por la revista. ACS Nano en el artículo "Grafeno foto-térmicamente reducido como ánodos de alta potencia para baterías de iones de litio".

Koratkar y su equipo comenzaron a investigar el grafeno como un posible reemplazo del grafito utilizado como material de ánodo en las baterías de iones de litio actuales. Esencialmente una sola capa del grafito que se encuentra comúnmente en nuestros lápices o el carbón que quemamos en nuestras barbacoas, El grafeno es una hoja de átomos de carbono del espesor de un átomo dispuesta como una valla de alambre de gallinero a nanoescala. En estudios anteriores, Las baterías de iones de litio con ánodos de grafito mostraron una buena densidad de energía pero una baja densidad de potencia, lo que significa que no pueden cargarse o descargarse rápidamente. Esta carga y descarga lentas se debió a que los iones de litio solo podían entrar o salir físicamente del ánodo de grafito de la batería por los bordes. y se abren camino lentamente a lo largo de las capas individuales de grafeno.

La solución de Koratkar fue utilizar una técnica conocida para crear una hoja grande de papel de óxido de grafeno. Este papel tiene aproximadamente el grosor de una hoja de papel de impresora cotidiana, y se puede fabricar de casi cualquier tamaño o forma. Luego, el equipo de investigación expuso parte del papel de óxido de grafeno a un láser, y otras muestras del papel se expusieron a un simple flash de una cámara digital. En ambos casos, el calor del láser o flash fotográfico literalmente causó mini-explosiones en todo el papel, ya que los átomos de oxígeno en el óxido de grafeno fueron expulsados ​​violentamente de la estructura. Las secuelas de este éxodo de oxígeno fueron láminas de grafeno marcadas con innumerables grietas, poros vacíos y otras imperfecciones. La presión creada por el oxígeno que escapaba también provocó que el papel de grafeno se expandiera cinco veces en grosor, creando grandes vacíos entre las hojas de grafeno individuales.

Los investigadores descubrieron rápidamente que este papel de grafeno dañado funcionaba notablemente bien como ánodo para una batería de iones de litio. Mientras que antes los iones de litio atravesaban lentamente toda la longitud de las hojas de grafeno para cargarse o descargarse, los iones ahora usaban las grietas y los poros como atajos para moverse rápidamente dentro o fuera del grafeno, aumentando en gran medida la densidad de potencia general de la batería. El equipo de Koratkar demostró cómo su material de ánodo experimental podía cargarse o descargarse 10 veces más rápido que los ánodos convencionales en baterías de iones de litio sin incurrir en una pérdida significativa en su densidad de energía. A pesar de los innumerables poros a microescala, grietas y vacíos que son omnipresentes en toda la estructura, el ánodo de papel de grafeno es notablemente robusto, y continuó funcionando con éxito incluso después de más de 1, 000 ciclos de carga / descarga. La alta conductividad eléctrica de las láminas de grafeno también permitió un transporte de electrones eficiente en el ánodo, que es otra propiedad necesaria para aplicaciones de alta potencia.

Koratkar dijo que el proceso de fabricación de estos nuevos ánodos de papel de grafeno para baterías de iones de litio se puede ampliar fácilmente para satisfacer las necesidades de la industria. El papel de grafeno se puede fabricar en prácticamente cualquier tamaño y forma, y la exposición fototérmica por láser o flashes de cámara es un proceso fácil y económico de replicar. Los investigadores han solicitado protección mediante patente para su descubrimiento. El siguiente paso para este proyecto de investigación es emparejar el material del ánodo de grafeno con un material de cátodo de alta potencia para construir una batería completa.