Un tipo de nanomaterial completamente nuevo desarrollado en el Instituto Politécnico Rensselaer podría permitir la próxima generación de baterías de iones de litio (Li) recargables de alta potencia para automóviles eléctricos, así como baterías para portátiles, teléfonos móviles, y otros dispositivos portátiles.

El nuevo material, denominado "nanoscoop" porque su forma se asemeja a un cono con una bola de helado encima, puede soportar velocidades de carga y descarga extremadamente altas que harían que los electrodos convencionales que se utilizan en las baterías de iones de litio de hoy en día se deterioren rápidamente y fallen. El éxito del nanoscoop radica en su composición de material única, estructura, y tamaño.

El equipo de investigación de Rensselaer, dirigido por el profesor Nikhil Koratkar, demostró cómo un electrodo nanoscoop podría cargarse y descargarse a una velocidad de 40 a 60 veces más rápida que los ánodos de batería convencionales, manteniendo una densidad de energía comparable. Esta actuación estelar, que se logró en más de 100 ciclos continuos de carga / descarga, tiene el equipo seguro de que su nueva tecnología tiene un potencial significativo para el diseño y realización de alta potencia, Baterías recargables de iones de litio de alta capacidad.

"Cargando mi computadora portátil o teléfono celular en unos minutos, en lugar de una hora, me suena bastante bien, "dijo Koratkar, profesor del Departamento de Mecánica, Aeroespacial, e Ingeniería Nuclear en Rensselaer. "Al utilizar nuestras nanocopas como arquitectura de ánodo para baterías recargables de iones de litio, esta es una perspectiva muy real. Es más, esta tecnología podría potencialmente incrementarse para adaptarse a las exigentes necesidades de baterías para automóviles eléctricos ".

Las baterías para vehículos totalmente eléctricos deben ofrecer altas densidades de potencia además de altas densidades de energía, Dijo Koatkar. En la actualidad, estos vehículos utilizan supercondensadores para realizar funciones que consumen mucha energía, como arrancar el vehículo y acelerar rápidamente, junto con baterías convencionales que ofrecen alta densidad de energía para la conducción normal en crucero y otras operaciones. Koratkar dijo que la invención de nanoscoops puede permitir que estos dos sistemas separados se combinen en uno solo, unidad de batería más eficiente.

Los resultados del estudio se detallaron en el documento "Nanoscoops con clasificación de deformación funcional para ánodos de baterías de iones de litio de alta potencia, "publicado el jueves por la revista Nano letras .

La estructura del ánodo de una batería de iones de litio crece y se contrae físicamente a medida que la batería se carga o descarga. Al cargar, la adición de iones de Li aumenta el volumen del ánodo, mientras que la descarga tiene el efecto contrario. Estos cambios de volumen dan como resultado una acumulación de tensión en el ánodo. Demasiado estrés que se acumula demasiado rápido, como en el caso de una batería que se carga o descarga a altas velocidades, puede hacer que la batería falle prematuramente. Esta es la razón por la que la mayoría de las baterías de los dispositivos electrónicos portátiles de hoy en día, como los teléfonos celulares y las computadoras portátiles, se cargan muy lentamente:la velocidad de carga lenta es intencional y está diseñada para proteger la batería del daño inducido por el estrés.

Nanoscoop del equipo Rensselaer, sin embargo, fue diseñado para soportar esta acumulación de estrés. Hecho de una base de nanobarra de carbono (C) cubierta con una fina capa de aluminio a nanoescala (Al) y una "cucharada" de silicio a nanoescala (Si), las estructuras son flexibles y pueden aceptar y descargar rápidamente iones de litio a velocidades extremadamente rápidas sin sufrir daños importantes. La estructura segmentada del nanoscoop permite que la cepa se transfiera gradualmente desde la base C a la capa de Al, y finalmente a la primicia Si. Esta gradación de deformación natural proporciona una transición de tensión menos abrupta a través de las interfaces del material, conduciendo a una integridad estructural mejorada del electrodo.

El tamaño a nanoescala de la pala también es vital, ya que las nanoestructuras son menos propensas a agrietarse que los materiales a granel. según Koratkar.

"Debido a su tamaño a nanoescala, Nuestras nanocopas pueden absorber y liberar Li a altas velocidades de manera mucho más efectiva que los ánodos de macroescala que se utilizan en las baterías de iones de litio de hoy en día. ", dijo." Esto significa que nuestro nanoscoop puede ser la solución a un problema crítico que enfrentan las compañías automotrices y otros fabricantes de baterías:¿cómo se puede aumentar la densidad de potencia de una batería mientras se mantiene alta la densidad de energía? "

Una limitación de la arquitectura nanoscoop es la masa total relativamente baja del electrodo, Dijo Koratkar. Para solucionar esto, Los próximos pasos del equipo son intentar cultivar cucharadas más largas con mayor masa, o desarrollar un método para apilar capas de nanocopas una encima de la otra. Otra posibilidad que el equipo está explorando incluye hacer crecer las nanocopas en grandes sustratos flexibles que se pueden enrollar o moldear para adaptarse a los contornos o chasis del automóvil.