Un grupo de investigadores de la Universidad de Drexel ha creado un electrodo de material similar a una tela que podría ayudar a que los dispositivos de almacenamiento de energía (baterías y supercondensadores) sean más rápidos y menos susceptibles a fugas o derretimientos desastrosos. Su diseño para un nuevo supercondensador, que se parece a una esponja peluda impregnada de gelatina, ofrece una alternativa única a la solución de electrolitos inflamables que es un componente común en estos dispositivos.

El líquido electrolítico dentro de las baterías y los supercondensadores puede ser corrosivo o tóxico y casi siempre es inflamable. Para mantenerse al día con nuestra tecnología móvil avanzada, Los dispositivos de almacenamiento de energía han sufrido contracciones de material en el proceso de diseño. lo que los ha dejado vulnerables a cortocircuitos, como en casos recientes con los dispositivos Galaxy Note de Samsung, que, cuando se combina con la presencia de un electrolito líquido inflamable, puede crear una situación explosiva.

Entonces, en lugar de una solución de electrolitos inflamables, el dispositivo diseñado por Vibha Kalra, Doctor, profesor de la Facultad de Ingeniería de Drexel, y su equipo, utilizó un electrolito de gel espeso rico en iones absorbido en una estera independiente de nanofibras de carbono porosas para producir un dispositivo sin líquido. El grupo, que incluía a la asistente de doctorado de Kalra, Sila Simotwo, y a las investigadoras del templo Stephanie L.Wunder, Doctor, y Parameswara Chinnam, Doctor, publicó recientemente su nuevo diseño para un "supercondensador de estado sólido sin solventes" en la revista American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados .

"Hemos eliminado por completo el componente que puede incendiarse en estos dispositivos, "Kalra dijo." Y, al hacerlo, también hemos creado un electrodo que podría permitir que los dispositivos de almacenamiento de energía sean más ligeros y mejores ".

Los supercondensadores son otro tipo de dispositivo de almacenamiento de energía. Son similares a las baterías, en el sentido de que retienen y liberan energía electrostáticamente, pero en nuestra tecnología:dispositivos móviles, laptops, automóviles eléctricos:tienden a servir como respaldo de energía porque pueden desembolsar la energía almacenada en un momento rápido, a diferencia de las baterías que lo hacen durante un período de uso prolongado. Pero, como pilas, los supercondensadores utilizan una solución de electrolito inflamable, como resultado, son vulnerables a fugas e incendios.

El supercondensador del grupo no solo está libre de solventes, lo que significa que no contiene líquido inflamable, sino que el diseño compacto también es más duradero y su capacidad de almacenamiento de energía y su vida útil de carga y descarga son mejores que los dispositivos comparables que se utilizan actualmente. También puede funcionar a temperaturas de hasta 300 grados Celsius, lo que significa que haría que los dispositivos móviles fueran mucho más duraderos y menos propensos a convertirse en un peligro de incendio debido al abuso.

"Para permitir el espesor y la carga de electrodos relevantes para la industria, Hemos desarrollado un electrodo similar a una tela compuesto de nanofibras que proporciona una estructura de poro abierto tridimensional bien definida para una fácil infusión del precursor de electrolito sólido. "Dijo Kalra." El electrodo de poro abierto también está libre de agentes aglutinantes que actúan como aislantes y disminuyen el rendimiento ".

La clave para producir este dispositivo duradero es una estructura de electrodos similar a una fibra que el equipo creó mediante un proceso llamado electrohilado. El proceso deposita una solución de polímero precursor de carbono en forma de una estera fibrosa extruyéndola a través de un campo eléctrico rotatorio, un proceso que, a nivel microscópico, parece algo así como hacer algodón de azúcar.

Luego, el ionogel se absorbe en la estera de fibra de carbono para crear una red completa de electrodos y electrolitos. Sus excelentes características de rendimiento también están vinculadas a esta forma única de combinar electrodos y soluciones de electrolitos. Esto se debe a que están haciendo contacto sobre una superficie mayor.

Si piensa en un dispositivo de almacenamiento de energía como un tazón de hojuelas de maíz, entonces, el lugar donde ocurre el almacenamiento de energía es aproximadamente donde los copos se encuentran con la leche; los científicos llaman a esto la "doble capa eléctrica". Es donde el electrodo conductor que almacena electricidad se encuentra con la solución de electrolito que transporta la carga eléctrica. Idealmente, en tu tazón de cereal, la leche se abría paso a través de todos los copos para obtener la capa adecuada en cada uno, ni demasiado crujiente ni demasiado empapada. Pero a veces el cereal se amontona y la leche, o la solución de electrolitos, en el caso de nuestra comparación, no llega hasta el final, para que los copos de arriba estén secos, mientras que las escamas del fondo están saturadas. Este no es un buen tazón de cereal, y su equivalente electroquímico —un atasco de tráfico de electrones en ruta a los sitios de activación en el electrodo— no es ideal para el almacenamiento de energía.

El supercondensador de estado sólido de Kalra es como poner trigo triturado en el tazón, en lugar de copos de maíz. La arquitectura abierta permite que la leche penetre y cubra el cereal, al igual que el ionogel impregna la estera de fibra de carbono en el supercondensador de estado sólido de Kalra. La alfombra proporciona una mayor área de superficie para que los iones del ionogel accedan al electrodo, lo que aumenta la capacidad y mejora el rendimiento del dispositivo de almacenamiento de energía. También elimina la necesidad de muchos de los materiales de andamio que son partes esenciales de la formación del electrodo físico. pero no intervenga en el proceso de almacenamiento de energía y contribuya en gran medida al peso total del dispositivo.

"Los electrodos de última generación están compuestos de polvos finos que deben mezclarse con agentes aglutinantes y convertirse en una suspensión, que luego se aplica en el dispositivo. Estos aglutinantes agregan peso muerto al dispositivo, ya que no son materiales conductores, y en realidad obstaculizan su desempeño, "Kalra dijo." Nuestros electrodos son independientes, eliminando así la necesidad de aglutinantes, cuyo procesamiento puede representar hasta el 20 por ciento del costo de fabricación de un electrodo ".

El siguiente paso para el grupo de Kalra será aplicar esta técnica a la producción de baterías de estado sólido, así como explorar su aplicación para tejidos inteligentes.