Desde teléfonos celulares, a la energía solar, a los coches eléctricos, la humanidad depende cada vez más de las baterías. Como demanda de caja fuerte, eficiente, y el almacenamiento de energía de gran alcance sigue aumentando, también lo hace el llamado a alternativas prometedoras a las baterías recargables de iones de litio, que han sido la tecnología dominante en este espacio.

En una investigación publicada en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer demuestran cómo pueden superar un desafío persistente conocido como dendritas para crear una batería de metal que funcione casi tan bien como una batería de iones de litio. pero depende del potasio, un elemento mucho más abundante y menos costoso.

Las baterías contienen dos electrodos:un cátodo en un extremo y un ánodo en el otro. Si mirase dentro de una batería de iones de litio, normalmente encontraría un cátodo hecho de óxido de litio y cobalto y un ánodo hecho de grafito. Durante la carga y descarga, Los iones de litio fluyen hacia adelante y hacia atrás entre estos dos electrodos.

En esta configuración, si los investigadores simplemente reemplazaran el óxido de litio y cobalto con óxido de potasio y cobalto, el rendimiento caería. El potasio es un elemento más grande y pesado y, por lo tanto, menos denso en energía. En lugar de, el equipo de Rensselaer buscó mejorar el rendimiento del potasio reemplazando también el ánodo de grafito con potasio metálico.

"En términos de rendimiento, esto podría rivalizar con una batería de iones de litio tradicional, "dijo Nikhil Koratkar, un profesor dotado de mecánica, aeroespacial, e ingeniería nuclear en Rensselaer y el autor principal de este artículo.

Si bien las baterías de metal se han mostrado muy prometedoras, tradicionalmente también han estado plagados por la acumulación de depósitos de metal, llamadas dendritas, en el ánodo. Las dendritas se forman debido a la deposición no uniforme de potasio metálico cuando la batería se somete a ciclos repetidos de carga y descarga. Tiempo extraordinario, Koratkar explicó, los conglomerados de potasio metálico se vuelven largos y casi ramificados.

Si crecen demasiado eventualmente perforarán el separador de membrana aislante destinado a evitar que los electrodos se toquen entre sí y provoquen un cortocircuito en la batería. El calor se crea cuando una batería se corta y tiene el potencial de prender fuego al electrolito orgánico dentro del dispositivo.

En este papel, Koratkar y su equipo, que incluía a Prateek Hundekar, estudiante de doctorado en Rensselaer, e investigadores de la Universidad de Maryland, incluyendo a Chunsheng Wang, profesor de ingeniería química y biomolecular:explique cómo su solución a ese problema allana el camino para el uso práctico del consumidor. Al operar la batería a una tasa de carga y descarga relativamente alta, pueden elevar la temperatura dentro de la batería de una manera bien controlada y alentar a las dendritas a que se curen por sí mismas del ánodo.

Koratkar compara el proceso de autocuración con lo que le sucede a un montón de nieve después de que termina una tormenta. El viento y el sol ayudan a mover los copos del montículo de nieve, reduciendo su tamaño y eventualmente aplanándolo.

En una forma similar, mientras que el aumento de temperatura dentro de la batería no derretirá el metal potásico, sí ayuda a activar la difusión superficial para que los átomos de potasio se muevan lateralmente fuera de la "pila" que han creado, suavizando eficazmente la dendrita.

"Con este enfoque, la idea es que por la noche o cuando no estés usando la batería, tendrías un sistema de gestión de la batería que aplicaría este calor local que haría que las dendritas se autocuraran, "Dijo Koratkar.

Koratkar y su equipo demostraron previamente un método similar de autocuración con baterías de metal de litio, pero encontraron que la batería de potasio metálico requería mucho menos calor para completar el proceso de autocuración. Ese hallazgo prometedor Koratkar dijo:significa que una batería de metal de potasio podría ser más eficiente, a salvo, y practico.

"Quiero ver un cambio de paradigma hacia las baterías de metal, "Dijo Koratkar." Las baterías de metal son la forma más eficiente de construir una batería; sin embargo, debido a este problema de dendrita, no han sido factibles. Con potasio, Tengo más esperanzas ".