El proceso de desarrollo de mejores baterías recargables puede resultar turbio, pero hay un revestimiento de alúmina.

Una delgada capa de óxido metálico aplicada a cátodos comunes por ingenieros de la Escuela de Ingeniería Brown de la Universidad de Rice reveló nuevos fenómenos que podrían conducir a baterías que estén mejor orientadas a automóviles eléctricos y un almacenamiento de energía fuera de la red más robusto.

El estudio de la American Chemical Society Materiales de energía aplicada ACS describe un mecanismo previamente desconocido por el cual el litio queda atrapado en las baterías, limitando así el número de veces que se puede cargar y descargar a plena potencia.

Pero esa característica no desanima las esperanzas de que, en algunas situaciones, tales baterías podrían ser las adecuadas.

El laboratorio de Rice de la ingeniera química y biomolecular Sibani Lisa Biswal encontró un punto óptimo en las baterías que, al no maximizar su capacidad de almacenamiento, podría proporcionar ciclos constantes y estables para aplicaciones que lo necesiten.

Biswal dijo que las baterías de iones de litio convencionales utilizan ánodos a base de grafito que tienen una capacidad de menos de 400 miliamperios hora por gramo (mAh / g), pero los ánodos de silicio tienen potencialmente 10 veces esa capacidad. Eso viene con una desventaja:el silicio se expande a medida que se alea con litio, tensionando el ánodo. Haciendo poroso el silicio y limitando su capacidad a 1, 000 mAh / g, Las baterías de prueba del equipo proporcionaron un ciclo estable con una capacidad aún excelente.

"La capacidad máxima ejerce una gran presión sobre el material, por lo que esta es una estrategia para obtener capacidad sin el mismo grado de estrés, "Dijo Biswal." 1, 000 miliamperios hora por gramo sigue siendo un gran salto ".

El equipo dirigido por la becaria postdoctoral Anulekha Haridas probó el concepto de emparejar lo poroso, ánodos de silicio de alta capacidad (en lugar de grafito) con cátodos de óxido de níquel, manganeso y cobalto (NMC) de alto voltaje. Las baterías de iones de litio de celda completa demostraron una ciclabilidad estable a 1, 000 mAh / g durante cientos de ciclos.

Algunos cátodos tenían una capa de alúmina de 3 nanómetros (aplicada mediante deposición de capa atómica), y algunos no. Aquellos con el recubrimiento de alúmina protegieron el cátodo de romperse en presencia de ácido fluorhídrico, que se forma si incluso pequeñas cantidades de agua invaden el electrolito líquido. Las pruebas mostraron que la alúmina también aceleró la velocidad de carga de la batería, reduciendo el número de veces que se puede cargar y descargar.

Parece haber una gran captura como resultado del rápido transporte de litio a través de la alúmina, Dijo Haridas. Los investigadores ya sabían de las posibles formas en que los ánodos de silicio atrapan el litio, por lo que no está disponible para alimentar dispositivos, pero dijo que este es el primer informe de que la propia alúmina absorbe litio hasta que se satura. En ese punto, ella dijo, la capa se convierte en un catalizador para el transporte rápido hacia y desde el cátodo.

"Este mecanismo de captura de litio protege eficazmente el cátodo al ayudar a mantener una capacidad estable y una densidad de energía para las celdas completas, "Dijo Haridas.

Los coautores son los estudiantes graduados de Rice Quan Anh Nguyen y Botao Farren Song, y Rachel Blaser, ingeniero de investigación y desarrollo en Ford Motor Co. Biswal es profesor de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales y nanoingeniería. El Programa de Investigación de la Universidad de Ford apoyó la investigación.