En comparación con supercondensadores y baterías, Los SMC (con tres espesores de electrodo diferentes mostrados) ofrecen una alta densidad de potencia y una alta densidad de energía. Derechos de autor de la imagen:Jang, et al. © 2011 Sociedad Química Estadounidense
(PhysOrg.com) - Tiene todas las apariencias de un gran avance en tecnología de baterías, excepto que no es una batería. Investigadores de Nanotek Instruments, C ª., y su subsidiaria Angstron Materials, C ª., en Dayton, Ohio, han desarrollado un nuevo paradigma para diseñar dispositivos de almacenamiento de energía que se basa en el transporte rápido de grandes cantidades de iones de litio entre electrodos con superficies masivas de grafeno. El dispositivo de almacenamiento de energía podría resultar extremadamente útil para vehículos eléctricos, donde podría reducir el tiempo de recarga de horas a menos de un minuto. Otras aplicaciones podrían incluir el almacenamiento de energía renovable (por ejemplo, almacenamiento de energía solar y eólica) y redes inteligentes.
Los investigadores llaman a los nuevos dispositivos "células de intercambio de iones de litio habilitadas en la superficie de grafeno". "o más simplemente, "células mediadas por superficie" (SMC). Aunque los dispositivos actualmente utilizan materiales y configuraciones no optimizados, ya pueden superar a las baterías de iones de litio y supercondensadores. Los nuevos dispositivos pueden ofrecer una densidad de potencia de 100 kW / kg de celda, que es 100 veces mayor que la de las baterías de iones de litio comerciales y 10 veces mayor que la de los supercondensadores. Cuanto mayor sea la densidad de potencia, cuanto más rápida sea la tasa de transferencia de energía (resultando en un tiempo de recarga más rápido). Además, las nuevas celdas pueden almacenar una densidad de energía de 160 Wh / kgcelda, que es comparable a las baterías de iones de litio comerciales y 30 veces mayor que la de los supercondensadores convencionales. Cuanto mayor sea la densidad de energía, cuanta más energía pueda almacenar el dispositivo para el mismo volumen (lo que da como resultado un rango de conducción más largo para los vehículos eléctricos).
"Dado el mismo peso del dispositivo, la actual batería de iones de litio y SMC puede proporcionar un vehículo eléctrico (EV) con un rango de conducción comparable, "Bor Z. Jang, cofundador de Nanotek Instruments y Angstron Materials, dicho PhysOrg.com . “Nuestras SMC, al igual que las baterías de iones de litio actuales, se puede mejorar aún más en términos de densidad de energía [y, por lo tanto, rango]. Sin embargo, en principio, el SMC se puede recargar en minutos (posiblemente menos de un minuto), a diferencia de las horas de las baterías de iones de litio que se utilizan en los vehículos eléctricos actuales ".
Jang y sus coautores en Nanotek Instruments y Angstron Materials han publicado el estudio sobre los dispositivos de almacenamiento de energía de próxima generación en un número reciente de Nano letras . Ambas empresas se especializan en la comercialización de nanomateriales, siendo Angstron el mayor productor mundial de plaquetas de nanografeno (NGP).
Como explican los investigadores en su estudio, Las baterías y los supercondensadores tienen sus respectivas fortalezas y debilidades cuando se trata de almacenamiento de energía. Mientras que las baterías de iones de litio proporcionan una densidad de energía mucho mayor (120-150 Wh / kg celda ) que los supercondensadores (5 Wh / kg celda ), las baterías ofrecen una densidad de potencia mucho menor (1 kW / kg celda en comparación con 10 kW / kg celda ). Muchos grupos de investigación se han esforzado por aumentar la densidad de potencia de las baterías de iones de litio y aumentar la densidad de energía de los supercondensadores. pero ambas áreas aún enfrentan desafíos importantes. Al proporcionar un marco fundamentalmente nuevo para los dispositivos de almacenamiento de energía, los SMC podrían permitir a los investigadores eludir estos desafíos.
“El desarrollo de esta nueva clase de dispositivos de almacenamiento de energía cierra la brecha de rendimiento entre una batería de iones de litio y un supercondensador, "Dijo Jang. "Más significativamente, este marco fundamentalmente nuevo para la construcción de dispositivos de almacenamiento de energía podría permitir a los investigadores lograr tanto la alta densidad de energía como la alta densidad de potencia sin tener que sacrificar una para lograr la otra ”.
Las grandes superficies de los electrodos de los SMC permiten el transporte rápido de una gran cantidad de iones entre electrodos, resultando en un tiempo de recarga rápido. Derechos de autor de la imagen:Jang, et al. © 2011 Sociedad Química Estadounidense
La clave del rendimiento de los SMC es un cátodo y un ánodo que contienen superficies de grafeno muy grandes. Al fabricar la celda, los investigadores colocan litio metálico (en forma de partículas o láminas) en el ánodo. Durante el primer ciclo de descarga, el litio está ionizado, resultando en una cantidad mucho mayor de iones de litio que en las baterías de iones de litio. A medida que se usa la batería, los iones migran a través de un electrolito líquido al cátodo, donde los iones entran en los poros y alcanzan la gran superficie de grafeno dentro del cátodo. Durante la recarga, un flujo masivo de iones de litio migra rápidamente del cátodo al ánodo. Las grandes superficies de los electrodos permiten el transporte rápido de una gran cantidad de iones entre electrodos, resultando en su alta potencia y densidades de energía.
Como explican los investigadores, el intercambio de iones de litio entre las superficies de los electrodos porosos (y no en la mayor parte del electrodo, como en las baterías) elimina por completo la necesidad del lento proceso de intercalación. En este proceso, los iones de litio deben insertarse dentro de los electrodos, que domina el tiempo de carga de las baterías.
Aunque en este estudio los investigadores prepararon diferentes tipos de grafeno (oxidado, y una capa reducida y multicapa) de una variedad de diferentes tipos de grafito, Se necesita un análisis más detallado de los materiales y la configuración para optimizar el dispositivo. Por una cosa, los investigadores planean investigar más a fondo el ciclo de vida de las células. Hasta aquí, descubrieron que los dispositivos podían retener el 95% de la capacidad después de 1, 000 ciclos, e incluso después de 2, 000 ciclos no mostraron evidencia de formación de dendrita. Los investigadores también planean investigar las funciones relativas de los diferentes mecanismos de almacenamiento de litio en el rendimiento del dispositivo.
“No anticipamos ningún obstáculo importante para la comercialización de la tecnología SMC, "Dijo Jang. "Aunque el grafeno se vende actualmente a un precio superior, Materiales Angstron, C ª., participa activamente en la ampliación de la capacidad de producción de grafeno. Se espera que los costos de producción del grafeno se reduzcan drásticamente en los próximos 1-3 años ".
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