Con un mayor uso de baterías recargables para alimentar la tecnología moderna, particularmente vehículos eléctricos, Los investigadores han estado buscando materiales alternativos para iones de litio en baterías recargables.

Las baterías modernas usan litio y cobalto, pero estos tienen una oferta muy limitada.

Los científicos de materiales de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis han encontrado una alternativa potencial para el litio en flúor, un elemento relativamente abundante y ligero. Su investigación fue impresa el 7 de diciembre en el Revista de química de materiales .

Curiosamente, el ion fluoruro es el espejo opuesto al ion litio, tener la mayor atracción por los electrones, lo que le permite realizar fácilmente reacciones electroquímicas. Los investigadores en Japón también están probando baterías de iones de flúor como posibles reemplazos de las baterías de iones de litio en los vehículos. Dicen que estas baterías podrían permitir que los vehículos eléctricos funcionen 1, 000 kilómetros (621 millas) con una sola carga. Sin embargo, Las baterías de iones de fluoruro actuales tienen poca ciclabilidad, es decir, tienden a degradarse rápidamente con los ciclos de carga y descarga.

Los investigadores Steven Hartman y Rohan Mishra han adoptado un nuevo enfoque para el diseño de baterías de iones de fluoruro, identificar dos materiales que fácilmente ganan o pierden iones de fluoruro mientras experimentan pequeños cambios estructurales para permitir una buena ciclabilidad. Mishra, profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales, dijo que los nuevos materiales de la batería son electrides en capas.

Los electrodos son una clase relativamente nueva de materiales que se conocen en principio desde hace unos 50 años. pero no fue hasta los últimos 10 o 15 años que se comprendieron mejor sus propiedades, Dijo Mishra. Si bien estos materiales conducen electrones como metales ordinarios, a diferencia del "mar de electrones" en los metales donde los electrones están deslocalizados en todo el cristal, en electrides, los electrones residen en sitios intersticiales específicos dentro de la estructura cristalina, similar a un ion.

"Predecimos que estos electrones intersticiales se pueden reemplazar fácilmente con iones de fluoruro sin deformaciones significativas en la estructura cristalina, permitiendo así la ciclabilidad, "Dijo Mishra." Los iones de fluoruro también pueden moverse o difundirse con bastante facilidad debido a la estructura relativamente abierta de las capas de electruros ".

Hartman, un alumno del Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales que obtuvo un doctorado en el laboratorio de Mishra antes de aceptar una beca postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, utilizó cálculos de mecánica cuántica para probar docenas de posibles candidatos a baterías.

Las pruebas computarizadas introdujeron fluoruro en los espacios intersticiales de las capas de electrides, nitruro dicálcico e hipocarburo de itrio. Las capacidades de almacenamiento de energía estuvieron cerca del rendimiento de las baterías de iones de litio. En el caso del nitruro dicálcico, está compuesto por elementos relativamente abundantes y puede ayudar a superar la escasez de suministro de elementos que se utilizan actualmente en las baterías de iones de litio.

Hartman contrastó el estudio de la batería con algunos de los otros trabajos del grupo Mishra, que utiliza técnicas de aprendizaje automático de "macrodatos" para examinar miles de candidatos.

"Esto requirió más intuición y ensayo y error que otros estudios que hemos realizado, ", Dijo Hartman." En principio, puede agregar muchos iones de fluoruro a los electrodos convencionales para almacenar mucha carga, pero en la práctica, estas capacidades teóricas son difíciles de gestionar. Cuando agregamos fluoruro a los electrodos convencionales, se hinchan y encogen drásticamente a medida que se cargan y se descargan, y eso puede provocar grietas y pérdida de contacto eléctrico ".

Minimizar este cambio de volumen y forma es esencial para crear una batería de fluoruro duradera.

"En estos materiales de electruro en capas, predecimos que agregar y eliminar los iones de fluoruro causaría cambios estructurales significativamente más pequeños, ayudando así a lograr una vida útil más larga, ", Dijo Hartman.

El laboratorio de Mishra busca colaborar con investigadores que puedan sintetizar las electridas prometedoras identificadas en este estudio y probarlas en baterías prototipo.

La Escuela de Ingeniería McKelvey contiene un grupo de profesores interdisciplinarios que realizan investigaciones sobre baterías. Investigación reciente de Peng Bai, profesor asistente de energía, ingeniería ambiental y química, resultó en la capacidad de aproximar el umbral de densidad de corriente de la batería y predecir con precisión el tiempo de cortocircuito para cualquier densidad de corriente en particular.

Jason He, profesor de energía, ingeniería ambiental y química, llevó a cabo recientemente un estudio de viabilidad para la "recarga" electroquímica de baterías de iones de litio en los electrodos gastados para regenerar compuestos útiles, como el óxido de litio y cobalto.