Los investigadores de la Escuela de Ingeniería de la USC Viterbi han mejorado el rendimiento y la capacidad de las baterías de litio al desarrollar un mejor rendimiento, materiales más baratos para su uso en ánodos y cátodos (electrodos negativos y positivos, respectivamente).
Las baterías de iones de litio son un tipo popular de batería recargable que se encuentra comúnmente en dispositivos electrónicos portátiles y automóviles eléctricos o híbridos. Tradicionalmente, Las baterías de iones de litio contienen un ánodo de grafito, pero el silicio ha surgido recientemente como un sustituto del ánodo prometedor porque es el segundo elemento más abundante en la tierra y tiene una capacidad teórica de 3600 miliamperios hora por gramo (mAh / g), casi 10 veces la capacidad del grafito. La capacidad de una batería de iones de litio está determinada por la cantidad de iones de litio que se pueden almacenar en el cátodo y el ánodo. El uso de silicio en el ánodo aumenta drásticamente la capacidad de la batería porque un átomo de silicio puede unir hasta 3,75 iones de litio, mientras que con un ánodo de grafito se necesitan seis átomos de carbono por cada átomo de litio.
El equipo de USC Viterbi desarrolló un ánodo de silicio rentable (y por lo tanto comercialmente viable) con una capacidad estable por encima de 1100 mAh / g durante 600 ciclos prolongados. haciendo que su ánodo sea casi tres veces más potente y más duradero que un ánodo comercial típico.
Hasta hace poco, la implementación exitosa de ánodos de silicio en baterías de iones de litio enfrentó un gran obstáculo:la severa pulverización del electrodo debido a la expansión y retracción de volumen que ocurre con el uso de silicio. El año pasado, El mismo equipo dirigido por el profesor de ingeniería eléctrica de USC Viterbi, Chongwu Zhou, desarrolló un diseño de ánodo exitoso utilizando nanocables de silicio poroso que permitieron que el material se expandiera y contrajera sin romperse. resolviendo eficazmente el problema de la pulverización.
Esta solución produjo un nuevo problema, sin embargo:el método de producción de silicio nanoestructurado era prohibitivamente caro para su adopción comercial.
Sin inmutarse, El estudiante graduado Mingyuan Ge y otros miembros del equipo de Zhou se basaron en su trabajo anterior para desarrollar un método rentable de producir partículas porosas de silicio a través de métodos simples y económicos de molienda de bolas y grabado de manchas.
"Nuestro método de producción de ánodos de silicio nanoporoso es de bajo costo y escalable para la producción en masa en la fabricación industrial, lo que hace que el silicio sea un material de ánodo prometedor para la próxima generación de baterías de iones de litio, ", dijo Zhou." Creemos que es el enfoque más prometedor para aplicar ánodos de silicio en baterías de iones de litio para mejorar la capacidad y el rendimiento ".
Además, El estudiante de posgrado Jiepeng Rong y otros miembros del equipo desarrollaron un método para recubrir polvo de azufre con óxido de grafeno para mejorar el rendimiento de las baterías de litio y azufre. Sulphur ha sido un prometedor candidato a cátodo durante muchos años debido a su alta capacidad teórica, que es más de 10 veces mayor que la de los cátodos tradicionales de óxido de metal o fosfato. El azufre elemental también es abundante, barato, y tiene baja toxicidad. Sin embargo, la aplicación práctica del azufre se ha visto muy obstaculizada por desafíos que incluyen una mala conductividad y una mala ciclabilidad, lo que significa que la batería pierde energía después de cada carga y muere después de un menor número de recargas.
Su investigación demostró que una capa de óxido de grafeno sobre azufre puede resolver ambos problemas. El óxido de grafeno tiene propiedades únicas, como una gran superficie, estabilidad química, resistencia mecánica y flexibilidad, y, por lo tanto, se usa comúnmente para recubrir materiales centrales en productos como sensores o células solares para mejorar su rendimiento. El recubrimiento de óxido de grafeno del equipo mejoró la capacidad del cátodo de azufre a 800 mAh / g para 1000 ciclos de carga / descarga. que es más de 5 veces la capacidad de los cátodos comerciales.
Zhou y su equipo publicaron recientemente sus resultados sobre ánodos de silicio en Nano letras [1]. El documento fue un esfuerzo de colaboración entre Zhou, Estudiantes graduados de USC Viterbi Mingyuan Ge, Jiepeng Rong, y Xin Fang, así como Matthew Mecklenburg del Centro de Microscopía Electrónica y Microanálisis de la USC, e investigadores de la Universidad de Zhejiang de China y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Por separado, Zhou, Rong, Ge, y Fang también publicaron resultados en Nano letras sobre su método para producir fácilmente cátodos de azufre recubiertos de grafeno para baterías de iones de litio [2].
Ahora que sus pruebas separadas de los electrodos negativo y positivo han dado excelentes resultados, el equipo ahora está trabajando para probarlos juntos en una batería completa. A continuación, integrarán el ánodo de silicio con el cátodo de azufre, así como con otros materiales catódicos tradicionales, para maximizar la capacidad de la batería de iones de litio y el rendimiento general.
"Por lo que sabemos, Nuestras tecnologías con ánodo de silicio y cátodo de azufre se encuentran entre las soluciones más rentables y, por lo tanto, son prometedoras para la comercialización para fabricar la próxima generación de baterías de iones de litio para alimentar vehículos eléctricos y electrónicos portátiles. ", dijo el estudiante graduado de USC Viterbi, Rong.
