Los investigadores están avanzando en el desarrollo de baterías recargables basadas en potasio, una alternativa potencial al litio que es menos costosa y mucho más abundante, y también han mostrado cómo derivar carbono para electrodos de batería a partir de neumáticos viejos.

"Con el crecimiento de las baterías recargables para dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos y aplicaciones de redes eléctricas, ha habido una creciente preocupación por la sostenibilidad y el costo del litio, "dijo Vilas G. Pol, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Química Davidson de la Universidad de Purdue. "En la ultima década, Ha habido un rápido progreso en la investigación de baterías de iones metálicos más allá del litio, como el sodio y el potasio ".

Por su mayor abundancia y menor costo, el potasio se muestra prometedor para el almacenamiento de electricidad a gran escala en la red eléctrica.

"La energía intermitente generada a partir de la energía solar y eólica requiere nuevos sistemas de almacenamiento de energía para la red, "Pol dijo." Sin embargo, la disponibilidad global limitada de recursos de litio y el alto costo de extracción dificultan la aplicación de baterías de iones de litio para almacenamiento de energía a gran escala. Esto exige dispositivos de almacenamiento de energía alternativos que se basen en elementos abundantes en la tierra ".

El potasio es aproximadamente ocho veces más abundante que el litio y una décima parte del costo. él dijo.

Este mes se publicaron tres artículos de investigación sobre el trabajo de la batería de iones de potasio, en colaboraciones con el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. y la Universidad Nacional Cheng Kung en Taiwán.

"Iniciamos este programa hace casi un año, y no hay muchos grupos en el mundo que trabajen con baterías de iones de potasio, "Pol dijo.

Los tres artículos fueron publicados en Materiales e interfaces aplicados de ACS , Comunicaciones químicas y el Revista de la Sociedad Electroquímica .

En un documento, los investigadores describen un nuevo diseño que utiliza nanofibras de carbono como ánodo. Las baterías tienen dos electrodos, llamado ánodo y cátodo. Los ánodos de la mayoría de las baterías de iones de litio actuales están hechos de grafito. Los iones de litio están contenidos en un líquido llamado electrolito, y estos iones se almacenan en el ánodo durante la recarga.

Los nuevos hallazgos mostraron que las baterías con ánodos hechos de nanofibras de carbono son prometedoras. El documento está disponible en DOI:10.1021 / acsami.7b02476.

"Las nanofibras de carbono demuestran un gran potencial como material de ánodo para baterías de iones de potasio, ", Dijo Pol." Estudiamos baterías para hasta 1, 900 ciclos de carga-descarga, lo cual es bastante notable ".

Las nanofibras de carbono se crearon con un proceso llamado electrohilado, donde se usa alto voltaje para tirar de una solución polimérica cargada entre dos electrodos, y las fibras de polímero se convierten luego en fibras de carbono.

Las baterías mostraron una "capacidad razonable" después de cargarse solo durante seis minutos, con una capacidad de 110 miliamperios hora por gramo, un tercio de la capacidad lograda después de 10 horas de carga de la batería de iones de litio convencional, él dijo.

"Generalmente, obtendría una capacidad muy limitada después de solo seis minutos porque no es suficiente tiempo para cargar una batería convencional, "Pol dijo." Sin embargo, Las nanofibras de carbono permiten que la batería se cargue mucho más rápido porque los iones solo tienen que viajar una distancia muy corta. La batería típica de un teléfono móvil contiene partículas de entre 15 y 20 micrómetros de diámetro, que es una distancia mucho mayor que esta arquitectura similar a una fibra, y es por eso que se tarda de dos a tres horas en cargar su teléfono ".

El diseño elimina la necesidad de una "carpeta, "o un gel de polímero para mantener el polvo de grafito en su lugar. En su lugar, una red de nanofibras contiene las partículas de potasio, un enfoque que podría disminuir el peso de la batería.

Las nanofibras estaban "funcionalizadas con oxígeno, "lo que significa que las moléculas de oxígeno están unidas a su superficie, reduciendo la corrosión adicional del electrolito ácido. También se funcionalizaron con moléculas de nitrógeno para aumentar la conductividad eléctrica.

En un segundo artículo, estructuras cerámicas en forma de placa, Se utilizaron materiales conductores de electricidad llamados MXenes para crear un nuevo tipo de batería de iones de potasio.

Durante el proceso de carga, Se dice que los iones se intercalan, lo que significa que se ven obligados por la corriente eléctrica a moverse entre las capas del ánodo de carbono, acumulando una carga. Debido a que el potasio tiene un diámetro atómico mayor que el litio, le resulta más difícil intercalar.

Sin embargo, Los MXenes pueden permitir a los investigadores eludir este obstáculo. Los investigadores son los primeros en informar hallazgos sobre el rendimiento de estructuras de electrodos en forma de placa hechas de un MXene llamado carbonitruro de titanio.

"Por lo general, las cerámicas no son electroquímicamente activas, pero los MXenes se deben a que tienes una estructura similar a un ladrillo, y los iones se pueden insertar entre estos ladrillos durante la carga, ", Dijo Pol." Hemos demostrado que el potasio se carga y descarga eficazmente si se ajusta la morfología y la estructura del material ".

El uso de potasio también podría traer baterías menos costosas al reemplazar el cobre con aluminio como un "colector de corriente" para los ánodos. Las baterías de iones de litio requieren cobre para su propósito, mientras que el aluminio se puede utilizar en cambio en las baterías de iones de potasio.

En un tercer artículo, el carbono se deriva de los neumáticos de desecho para crear ánodos de carbono para una batería de iones de potasio. Los neumáticos se redujeron a una forma de carbono llamada carbono duro mediante un proceso de tratamiento químico seguido de un procedimiento llamado pirólisis. El documento está disponible en DOI:10.1149 / 2.1391706jes.

"El reciclaje de caucho de llantas de desecho es de importancia crítica ya que las llantas desechadas representan serios peligros ambientales y de salud para nuestra sociedad, "Pol dijo." Aquí, informamos de una nueva aplicación para materiales de carbono duro derivados de neumáticos de desecho como ánodos en baterías de iones de potasio ".

En carbono duro, las capas de carbono están dispuestas al azar, y esta disposición desordenada facilita la intercalación de iones de potasio.

"Este estudio demuestra cómo la ingeniería de materiales de carbono puede abordar algunos de los problemas resultantes de una intercalación más voluminosa de iones de potasio, y puede traer posibles estrategias para mejorar el rendimiento de estas baterías en el futuro, " él dijo.

El estudiante graduado de ingeniería química de Purdue, Ryan A. Adams, dirigió gran parte de la investigación. Su investigación está codirigida por Vilas Pol y Arvind Varma, R. Games Slayter Profesor distinguido de Ingeniería Química. Una lista completa de los coautores de los artículos está disponible en los resúmenes.