(PhysOrg.com) - Los investigadores de Stanford han utilizado la nanotecnología para inventar un cátodo de batería de iones de litio mejor.

El diseño de las baterías de iones de litio recargables actuales limita el uso de nuevas tecnologías como los automóviles eléctricos y el almacenamiento de energía a escala de la red porque no almacenan suficiente energía en relación con su volumen y peso, o bien, como dirían los investigadores, su densidad de energía es demasiado baja.

Resolver ese problema es en gran parte una cuestión de encontrar nuevos materiales para los electrodos de batería cargados positiva y negativamente, el cátodo y el ánodo.

El grupo de investigación del inventor de baterías Yi Cui, un profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, utiliza nanotecnología para fabricar materiales de electrodos que mejoran en gran medida la capacidad de almacenamiento eléctrico de las baterías de iones de litio. En investigaciones anteriores, reinventaron los ánodos de las baterías fabricándolos con nanocables de silicio.

Ahora, Cui y sus estudiantes han utilizado nanofibras de carbono huecas recubiertas de azufre y un aditivo electrolítico especial para mejorar el otro extremo de la batería recargable de iones de litio. el cátodo. Los resultados aparecen en la edición en línea del 14 de septiembre de la revista Nano letras .

Según Cui, poner ánodos de nanocables de silicio y cátodos de carbono recubiertos de azufre en una batería es la próxima generación de diseño de baterías.

"Creo firmemente que es una opción futura prometedora para fabricar mejores baterías, "Dijo Cui.

"El azufre es uno de los materiales que puede ofrecer una capacidad de almacenamiento de carga 10 veces mayor, pero con aproximadamente la mitad del voltaje de la batería existente, " él dijo.

Tanto la capacidad de carga como el voltaje afectan la cantidad de energía que puede entregar una batería. Con el cátodo de azufre como parte de una batería completa, la mayor capacidad de carga permite construir una batería con un almacenamiento de energía de cuatro a cinco veces superior al de la tecnología de baterías de iones de litio existente.

Las baterías de litio-azufre han recibido atención debido al bajo costo y la no toxicidad del azufre. Sin embargo, Las generaciones anteriores de cátodos de azufre de litio no han sido viables para la comercialización porque fallan rápidamente por cargas y recargas repetidas.

La nueva fabricación del cátodo resuelve una serie de problemas materiales que, Cui dijo, "sumados representan un gran desafío para lograr que este material funcione como una batería viable".

En diseños anteriores de cátodos de litio-azufre, capas de azufre sobre estructuras de carbono relativamente abiertas. Esto es un problema porque expone azufre a la solución de electrolito de la batería. Cuando los productos de reacción intermedios llamados polisulfuros de litio entran en contacto con la solución de electrolito, reducen la capacidad de la batería al disolverse en el electrolito.

Como estudiante de posgrado de Cui, Wesley Guangyuan Zheng, explicado, "Esto puede ser conflictivo porque, por un lado, no queremos que una gran superficie entre en contacto con el azufre y el electrolito, y por otro lado queremos una gran superficie para conductividades eléctricas e iónicas ".

El nuevo diseño resuelve el conflicto con un proceso de fabricación único que permite que el azufre cubra el interior de una nanofibra de carbono hueca. pero no el exterior. Este proceso de fabricación se basa en un uso novedoso de una tecnología de filtro disponible comercialmente que normalmente se aplica a la filtración de agua.

El nuevo diseño del cátodo también mejora la capacidad de la batería porque tiene una estructura casi cerrada que evita que los polisulfuros se filtren significativamente en la solución de electrolito. La longitud de una nanofibra hueca es aproximadamente 300 veces su diámetro; los canales largos y estrechos evitan la fuga de polisulfuros.

Además de las ganancias de almacenamiento de energía obtenidas con la fabricación mejorada de nanofibras de carbono huecas de azufre, El estudiante de posgrado de Cui, Yuan Yang, incluyó un aditivo electrolítico que mejora la carga de la batería y la eficiencia energética. conocida como la eficiencia culómbica.

"Sin el aditivo, pones 100 electrones en la batería y obtienes 85. Con el aditivo, obtienes 99, "Dijo Cui.

"Para diseñar la mejor estructura, necesitamos tanto el diseño del electrodo como el aditivo de electrolito y estos dos combinados pueden brindarle una alta capacidad y alta eficiencia culómbica, "Cui dijo." Ahora tenemos alta capacidad en ambos lados del electrodo; Eso es emocionante."