Las cintas largas de carbono que tienen solo un átomo de espesor pueden ayudar a mejorar las baterías de iones de litio, según investigadores de la Universidad de Rice. Combinaron las nanocintas con nanopartículas de óxido de estaño para hacer ánodos de alta capacidad. Crédito:Tour Group / Rice University
(Phys.org) —Los investigadores de la Universidad de Rice han ideado una nueva forma de aumentar la eficiencia de la omnipresente batería de iones de litio (LI) mediante el empleo de cintas de grafeno que comienzan como nanotubos de carbono.
Los ánodos de prueba de concepto, la parte de la batería que almacena iones de litio, construidos con nanocintas de grafeno (GNR) y óxido de estaño, mostraron una capacidad inicial mejor que la capacidad teórica del óxido de estaño solo. según el químico de Rice James Tour. Después de 50 ciclos de carga-descarga, las unidades de prueba retuvieron una capacidad que aún era más del doble que la del grafito que se usa actualmente para los ánodos de las baterías LI.
La investigación apareció esta semana en la revista American Chemical Society ACS Nano .
Todas las personas que llevan un teléfono celular o una computadora o conducen un automóvil eléctrico desean mucho mejores baterías. El equipo de Rice ve el potencial de los GNR para contribuir a su desarrollo.
Tour y sus colegas desarrollaron un método para descomprimir nanotubos en GNR, revelado en un artículo de portada de 2009 en Nature. Desde entonces, los investigadores han descubierto cómo hacer nanocintas de grafeno a granel y se están moviendo hacia aplicaciones comerciales. Un área lista para mejorar es la humilde batería. En un mundo cada vez más móvil, la capacidad de la batería se está convirtiendo en un cuello de botella que generalmente limita los dispositivos a menos de un día de uso.
En los nuevos experimentos, el laboratorio de Rice mezcló nanocintas de grafeno y partículas de óxido de estaño de unos 10 nanómetros de ancho en una suspensión con un aglutinante de goma de celulosa y un poco de agua, Extiéndalo sobre un colector de corriente y envuélvalo en una batería tipo botón. Los GNR tienen un solo átomo de espesor y miles de veces más largos que anchos. Los GNR no solo separan y soportan el óxido de estaño, sino que también ayudan a entregar iones de litio a las nanopartículas.
Islas de óxido de estaño viajan junto a una nanocinta de grafeno (en la parte superior) en una lechada utilizada en ánodos para baterías de iones de litio. Las partículas de óxido de estaño de 10 nanómetros se mantienen separadas por las nanocintas, que se crean al dividir nanotubos de carbono de paredes múltiples. Crédito:Tour Group / Rice University
Las pruebas de laboratorio mostraron capacidades de carga inicial de más de 1, 520 miliamperios hora por gramo (mAh / g). Durante repetidos ciclos de carga-descarga, el material se asentó en un sólido de 825 mAh / g. "Se necesitaron aproximadamente dos meses para pasar por 50 ciclos, "dijo el autor principal Jian Lin, investigador postdoctoral en Rice, que cree que podría manejar muchos más sin perder una capacidad significativa.
Los GNR también podrían ayudar a superar una dificultad principal con el desarrollo de baterías LI. Los iones de litio tienden a expandir el material que habitan, y el material se contrae cuando se retiran. Tiempo extraordinario, materiales como el silicio, que muestra una extraordinaria capacidad para el litio, se descomponen y pierden su capacidad para almacenar iones. Otros laboratorios de Rice han logrado avances que ayudan a resolver el problema de expansión al romper el silicio tratado en un polvo, logrando gran capacidad y muchos ciclos.
Las nanocintas de grafeno que se separan de los nanotubos en un proceso creado en la Universidad de Rice se utilizan ahora para mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio. Las nanocintas en una solución con óxido de estaño tienen más del doble de capacidad para el litio que los ánodos de grafeno estándar en las baterías comerciales actuales. Crédito:Tour Group / Rice University
Los GNR adoptan un enfoque diferente al otorgar a las baterías un grado de flexibilidad, Tour dijo. "Las nanocintas de grafeno forman un marco excelente que mantiene dispersas las nanopartículas de óxido de estaño y evita que se fragmenten durante el ciclo, ", dijo." Dado que las partículas de óxido de estaño tienen solo unos pocos nanómetros de tamaño y se les permite permanecer así al dispersarse en superficies GNR, los cambios de volumen en las nanopartículas no son dramáticos. Los GNR también proporcionan un marco conductor, con sus proporciones elevadas y su extrema delgadez ".
Los investigadores señalaron que el trabajo es un "punto de partida para explorar los compuestos hechos de GNR y otros óxidos de metales de transición para aplicaciones de almacenamiento de litio". Lin dijo que el laboratorio planea construir baterías con otras nanopartículas metálicas para probar sus capacidades de ciclo y almacenamiento.
