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  • Las cintas híbridas son un regalo para baterías potentes:óxido de vanadio:el material de grafeno funciona bien para el almacenamiento de iones de litio

    Cintas de óxido de vanadio recubiertas de grafeno, visto en una imagen de microscopio electrónico de barrido, podría ser el mejor electrodo para baterías de iones de litio probado hasta ahora, según investigadores de la Universidad de Rice. Crédito:Ajayan Group / Rice University

    Las cintas híbridas de óxido de vanadio (VO2) y grafeno pueden acelerar el desarrollo de baterías de iones de litio de alta potencia adecuadas para automóviles eléctricos y otras aplicaciones exigentes.

    El laboratorio de científicos de materiales de la Universidad de Rice, Pulickel Ajayan, determinó que el material bien estudiado es un cátodo superior para baterías que podría suministrar alta densidad de energía y una densidad de potencia significativa. La investigación aparece en línea este mes en la revista American Chemical Society. Nano letras .

    Las cintas creadas en Rice son miles de veces más delgadas que una hoja de papel, sin embargo, tienen un potencial que supera con creces a los materiales actuales por su capacidad para cargar y descargar muy rápidamente. Cátodos integrados en medias celdas para pruebas en Rice completamente cargados y descargados en 20 segundos y retuvieron más del 90 por ciento de su capacidad inicial después de más de 1, 000 ciclos.

    "Esta es la dirección en la que va la investigación sobre baterías, no solo para algo con alta densidad de energía sino también de alta densidad de potencia, "Ajayan dijo." Está en algún lugar entre una batería y un supercondensador ".

    El procesamiento hidrotermal de pentóxido de vanadio y óxido de grafeno crea cintas recubiertas de grafeno de óxido de vanadio cristalino, que muestran un gran potencial como electrodos de carga y descarga ultrarrápidos para baterías de iones de litio. Crédito:Ajayan Group / Rice University

    Las cintas también tienen la ventaja de utilizar materiales relativamente abundantes y baratos. "Esto se hace mediante un proceso hidrotermal muy simple, y creo que sería fácilmente escalable a grandes cantidades, " él dijo.

    Ajayan dijo que el óxido de vanadio se ha considerado durante mucho tiempo un material con un gran potencial, y de hecho, el pentóxido de vanadio se ha utilizado en baterías de iones de litio por su estructura especial y alta capacidad. Pero los óxidos tardan en cargarse y descargarse, debido a su baja conductividad eléctrica. La celosía de grafeno de alta conductividad que está literalmente horneada resuelve ese problema muy bien, él dijo, sirviendo como un conducto rápido para los electrones y canales para los iones.

    Las láminas de grafeno delgadas como un átomo unidas a los cristales ocupan muy poco volumen. En las mejores muestras elaboradas en Rice, el 84 por ciento del peso del cátodo era el VO2 sorbedor de litio, que contenía 204 miliamperios hora de energía por gramo. Los investigadores, dirigido por el estudiante graduado de Rice Yongji Gong y el autor principal Shubin Yang, dijeron que creen que se encuentra entre el mejor rendimiento general jamás visto para los electrodos de baterías de iones de litio.

    "Un desafío para la producción fue controlar las condiciones para la co-síntesis de cintas de VO2 con grafeno, ", Dijo Yang. El proceso implicaba suspender nanohojas de óxido de grafeno con pentóxido de vanadio en polvo (óxido de vanadio en capas, con dos átomos de vanadio y cinco de oxígeno) en agua y calentándola en autoclave durante horas. El pentóxido de vanadio se redujo completamente a VO2, que cristalizó en cintas, mientras que el óxido de grafeno se redujo a grafeno, Dijo Yang. Las cintas con una capa de grafeno en forma de red, tenían solo unos 10 nanómetros de grosor, hasta 600 nanómetros de ancho y decenas de micrómetros de largo.

    "Estas cintas fueron los componentes básicos de la arquitectura tridimensional, "Dijo Yang." Esta estructura única fue favorable para la difusión ultrarrápida tanto de iones de litio como de electrones durante los procesos de carga y descarga. Fue la clave para lograr un excelente rendimiento electroquímico ".

    Al probar el nuevo material, Yang y Gong encontraron que su capacidad de almacenamiento de litio se mantuvo estable después de 200 ciclos incluso a altas temperaturas (167 grados Fahrenheit) en las que otros cátodos comúnmente se descomponen. incluso a bajas tasas de carga y descarga.

    "Creemos que este es un progreso real en el desarrollo de materiales de cátodos para baterías de iones de litio de alta potencia, "Ajayan dijo, sugiriendo que la capacidad de las cintas para dispersarse en un solvente podría hacerlas adecuadas como un componente en las baterías pintables desarrolladas en su laboratorio.


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