Un poco de cera y jabón pueden ayudar a construir electrodos para baterías de iones de litio más baratas. según un estudio en la edición del 11 de agosto de Nano letras . El método de un solo paso permitirá a los desarrolladores de baterías explorar alternativas de menor precio a las baterías de iones de litio y óxido de metal actualmente en el mercado.

"La parafina proporciona un medio en el que cultivar buenos materiales para electrodos, ", dijo el científico de materiales Daiwon Choi del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía." Este método ayudará a los investigadores a investigar materiales de cátodos basados ​​en metales de transición más baratos como el manganeso o el hierro ".

Los consumidores usan baterías de iones de litio recargables de larga duración en todo, desde teléfonos celulares hasta el último dispositivo portátil. Algunos fabricantes de automóviles quieren usarlos en vehículos. La mayoría de las baterías de iones de litio disponibles en la actualidad están diseñadas con un óxido de metal como el cobalto, níquel, o manganeso. Choi y sus colegas de PNNL y la Universidad Estatal de Nueva York en Binghamton querían explorar tanto los metales más baratos como el fosfato más estable en lugar del óxido.

El cuento de la recarga

Estas baterías recargables funcionan porque el litio es egoísta y quiere su propio electrón. Los iones de litio cargados positivamente normalmente cuelgan en óxido metálico, el establo, electrodo positivo en pilas. El óxido de metal comparte generosamente sus electrones con los iones de litio.

La carga con electricidad bombea electrones al electrodo negativo, y cuando los iones de litio ven las cargas negativas que flotan libremente a través de la batería, se sienten atraídos por la vida lejos de la jaula de óxido metálico. Así que los iones de litio se van, abandonando el óxido metálico y sus electrones compartidos para pasar el tiempo disfrutando de sus propios electrones privados.

Pero el asunto no dura:el uso de la batería en un dispositivo electrónico crea un conducto a través del cual pueden fluir los electrones resbaladizos. Perdiendo sus electrones los iones de litio retroceden hasta convertirse en el óxido metálico que siempre espera. La recarga da comienzo a todo el sórdido proceso.

Más económico, Más estable

Si bien el óxido de cobalto funciona bien en baterías de litio, el cobalto y el níquel son más caros que el manganeso o el hierro. Además, la sustitución de óxido por fosfato proporciona una estructura más estable para el litio.

Las baterías de fosfato de hierro y litio están disponibles comercialmente en algunas herramientas eléctricas y productos solares. pero la síntesis del material del electrodo es complicada. Choi y sus colegas querían desarrollar un método simple para convertir el fosfato de metal de litio en un buen electrodo.

El fosfato de litio y manganeso (LMP) teóricamente puede almacenar algunas de las mayores cantidades de energía de las baterías recargables, con un peso de 171 miliamperios hora por gramo de material. La alta capacidad de almacenamiento permite que las baterías sean livianas. Pero otros investigadores que trabajan con LMP ni siquiera han podido obtener 120 miliAmp horas por gramo hasta ahora del material que sintetizaron.

Choi razonó que la pérdida del 30 por ciento de capacidad podría deberse a que el litio y los electrones tienen que abrirse paso a través del óxido metálico. una propiedad llamada resistencia. La menor distancia que el litio y los electrones tienen que viajar fuera del cátodo, el pensó, menos resistencia y más electricidad podría almacenarse. Una partícula más pequeña disminuiría esa distancia.

Pero el crecimiento de partículas más pequeñas requiere temperaturas más bajas. Desafortunadamente, temperaturas más bajas significan que las moléculas de óxido metálico no se alinean bien en los cristales. La aleatoriedad no es adecuada para materiales de cátodo, por lo que los investigadores necesitaban un marco en el que los ingredientes:litio, manganeso y fosfato - podrían organizarse en cristales limpios.

Encerado Cera apagada

La cera de parafina está formada por moléculas largas y rectas que no reaccionan mucho, y las moléculas largas pueden ayudar a alinear las cosas. El jabón, un surfactante llamado ácido oleico, podría ayudar a que los cristales en crecimiento se dispersen de manera uniforme.

Entonces, Choi y sus colegas mezclaron los ingredientes del electrodo con parafina derretida y ácido oleico y dejaron que los cristales crecieran a medida que subían lentamente la temperatura. Por 400 grados Celsius (cuatro veces la temperatura del agua hirviendo), se habían formado cristales y la cera y el jabón se habían evaporado. Los científicos de materiales generalmente fortalecen los metales sometiéndolos a altas temperaturas, por lo que el equipo elevó aún más la temperatura para fundir los cristales en un plato.

"Este método es mucho más simple que otras formas de fabricar cátodos de fosfato de manganeso y litio, "dijo Choi." Otros grupos tienen un complicado, proceso de varios pasos. Mezclamos todos los componentes y lo calentamos ".

Para medir el tamaño de las minúsculas placas, el equipo utilizó un microscopio electrónico de transmisión en EMSL, Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del DOE en el campus de la PNNL. De cerca, diminuto, rectángulos delgados asomaban en todas direcciones. Las nanoplacas medían unos 50 nanómetros de grosor, unas mil veces más delgadas que un cabello humano, y hasta 2000 nanómetros de lado. Otros análisis mostraron que el crecimiento de cristales era adecuado para electrodos.

Para probar LMP, el equipo sacudió las nanoplacas para liberarlas unas de otras y agregó un respaldo de carbono conductor, que sirve como electrodo positivo. El equipo probó cuánta electricidad podía almacenar el material después de cargarse y descargarse rápida o lentamente.

Cuando los investigadores cargaron las nanoplacas lentamente durante un día y luego las descargaron con la misma lentitud, la mini batería LMP tenía un poco más de 150 miliamperios hora por gramo de material, más alto de lo que otros investigadores habían podido alcanzar. Pero cuando la batería se descargó rápidamente, digamos, dentro de una hora, que bajó a alrededor de 117, comparable a otro material.

Su mejor rendimiento golpeó al máximo teórico a 168 miliAmp horas por gramo, cuando se cargó y descargó lentamente durante dos días. Cargar y descargar en una hora, un objetivo razonable para su uso en productos electrónicos de consumo, le permitió almacenar 54 miliamperios horas por gramo.

Aunque esta versión de una batería LMP se carga más lentamente que otros materiales de cátodo, Choi dijo que la verdadera ventaja de este trabajo es que lo fácil, El método de un solo paso les permitirá explorar una amplia variedad de materiales baratos con los que tradicionalmente ha sido difícil trabajar en el desarrollo de baterías recargables de iones de litio.

En el futuro, el equipo cambiará la forma en que incorporan el revestimiento de carbono en las nanoplacas LMP, lo que podría mejorar sus tasas de carga y descarga.