Parecido a cáscaras de huevo rotas, Las estructuras de grafeno construidas alrededor de burbujas produjeron una batería de litio-aire con la mayor capacidad energética hasta la fecha, según científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y la Universidad de Princeton. Este negro El material poroso podría reemplazar las tradicionales láminas de grafeno lisas en las baterías de litio-aire, que se obstruyen con partículas diminutas durante el uso. Como bono adicional, el nuevo material del equipo no se basa en platino u otros metales preciosos, reduciendo su costo potencial e impacto ambiental.

"Esta estructura jerárquica de láminas de grafeno autoensambladas es un diseño ideal no solo para baterías de litio-aire sino también para muchas otras aplicaciones energéticas potenciales, "dijo el Dr. Jie Xiao, el científico de materiales de PNNL que dirigió el estudio.

Las baterías de litio-aire podrían permitir la creación de vehículos eléctricos de largo alcance, capaz de viajar hasta 300 millas entre cargas. Comparativamente ligero, Las baterías de litio-aire todavía tienen una capacidad práctica limitada y problemas de ciclo de vida deficiente. Sin embargo, este estudio mostró cómo maximizar la capacidad de las baterías.

"Esto es fundamental para las aplicaciones, incluidos los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía, "dijo el Dr. Jun Liu, un científico de materiales en el estudio y director de la Iniciativa de Ciencia de Materiales Transformacionales de PNNL, que financió la investigación.

El equipo comenzó combinando un agente aglutinante con grafeno, una forma especial de carbono. El aglutinante dispersó el grafeno en solución, como el jabón, dispersa la grasa en el lavavajillas. Luego, el grafeno y el aglutinante se agregaron al agua y se mezclaron mediante un proceso que creó burbujas dentro de la solución. El grafeno y el aglutinante se formaron y endurecieron alrededor de las burbujas. Cuando las burbujas finalmente explotaron, Se dejaron atrás esferas huecas de grafeno. Las diminutas partículas negras tienen solo de 3 a 4 micrones de diámetro, diez veces más pequeño que un cabello humano.

Usando tanto modelado como microscopía, los científicos analizaron las estructuras del grafeno y su desempeño. Realizaron cálculos de la teoría funcional de la densidad en el sistema de supercomputación en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación en Energía. Estudiaron las partículas mediante microscopía electrónica en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales.

Los investigadores encontraron que las estructuras porosas negras almacenan más de 15, 000 miliamperios hora por gramo de grafeno, haciéndolo mucho más denso en términos de capacidad energética que otros materiales.

"Ahora se estudian muchos catalizadores para esta tecnología. En nuestro proceso, decidimos no utilizar metales preciosos, "dijo el Dr. Ji-Guang Zhang, líder del grupo en la investigación de baterías de aire de litio de PNNL. "Esto reducirá en gran medida los costos de producción y aumentará la adoptabilidad".

La batería está alcanzando los niveles más altos de capacidad energética en un entorno de solo oxígeno. Cuando se opera en aire ambiente, la capacidad disminuye porque el agua en el aire ensucia el metal de litio en las baterías. El equipo de PNNL está trabajando para desarrollar una membrana que bloquee el agua y aún permita que fluya el oxígeno necesario.

"También queremos que la batería sea recargable, "dijo Zhang." Ahora mismo, No lo es. No es completamente recargable. Estamos trabajando en un nuevo electrolito y un nuevo catalizador para que la batería se pueda recargar varias veces. potencialmente para aplicaciones de respaldo de batería que requieren altas densidades de energía ".