La clave para mejorar los teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos recargables puede estar en pequeños "sándwiches" hechos de nanohojas, según una investigación en ingeniería mecánica de la Universidad Estatal de Kansas.

Gurpreet Singh, profesor asistente de ingeniería mecánica y nuclear, y su equipo de investigación están mejorando las baterías recargables de iones de litio. El equipo se ha centrado en el ciclo de litio del disulfuro de molibdeno, o MoS2, hojas, que Singh describe como un "sándwich" de un átomo de molibdeno entre dos átomos de azufre.

En las últimas investigaciones, El equipo ha descubierto que las láminas de bisulfuro de molibdeno envueltas en carbonitruro de silicio muestran una estabilidad mejorada como un electrodo de batería con poca capacidad de desvanecimiento.

Los hallazgos aparecen en Nature's Informes científicos en el artículo "Papel compuesto de MoS2 funcionalizado cerámico derivado de polímeros como electrodo estable de batería de iones de litio". Otros investigadores de la Universidad Estatal de Kansas involucrados incluyen a Lamuel David, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica, India; Uriel Barrera, senior en ingeniería mecánica, Olathe; y Romil Bhandavat, 2013 Doctorado en Ingeniería Mecánica.

En esta última publicación, El equipo de Singh observó que las láminas de disulfuro de molibdeno almacenan más del doble de litio (o carga) que el disulfuro de molibdeno a granel informado en estudios anteriores. Los investigadores también encontraron que la alta capacidad de litio de estas hojas no dura mucho y cae después de cinco ciclos de carga.

"Este tipo de comportamiento es similar al tipo de batería de litio-azufre, que utiliza azufre como uno de sus electrodos, "Dijo Singh." El azufre es notoriamente famoso por formar polisulfuros intermedios que se disuelven en el electrolito orgánico de la batería, lo que conduce a una disminución de la capacidad. Creemos que la caída de capacidad observada en las láminas de disulfuro de molibdeno también se debe a la pérdida de azufre en el electrolito ".

Para reducir la disolución de productos a base de azufre en el electrolito, los investigadores envolvieron las láminas de disulfuro de molibdeno con unas pocas capas de una cerámica llamada carbonitruro de silicio, o SiCN. La cerámica es de alta temperatura, material vítreo preparado calentando polímeros líquidos a base de silicio y tiene una resistencia química mucho mayor hacia el electrolito líquido, Dijo Singh.

"Las láminas de disulfuro de molibdeno envueltas en carbonitruro de silicio muestran un ciclo estable de iones de litio independientemente de si el electrodo de la batería está en el método tradicional de lámina de cobre o como un papel flexible autoportante como en las baterías flexibles, "Dijo Singh.

Después de las reacciones, el equipo de investigación también disimuló y observó las células bajo el microscopio electrónico, lo que proporcionó evidencia de que el carbonitruro de silicio protegía contra la degradación mecánica y química con electrolito orgánico líquido.

Singh y su equipo ahora quieren comprender mejor cómo podrían comportarse las células de disulfuro de molibdeno en un dispositivo electrónico cotidiano, como un teléfono celular, que se recarga cientos de veces. Los investigadores continuarán probando las celdas de disulfuro de molibdeno durante los ciclos de recarga para tener más datos para analizar y comprender mejor cómo mejorar las baterías recargables.

Otra investigación del equipo de Singh puede ayudar a mejorar los recubrimientos de alta temperatura para la industria aeroespacial y de defensa. Los ingenieros están desarrollando un material de recubrimiento para proteger los materiales de los electrodos contra las duras condiciones. como palas de turbina y metales sometidos a calor intenso.

La investigación aparece en el Journal of Physical Chemistry. Los investigadores demostraron que cuando se combinan nanohojas de carbonitruro de silicio y nitruro de boro, tienen estabilidad a alta temperatura y conductividad eléctrica mejorada. Adicionalmente, estas nanohojas de carbonitruro de silicio / nitruro de boro son mejores electrodos de batería, Dijo Singh.

"Esto fue bastante sorprendente porque tanto el carbonitruro de silicio como el nitruro de boro son aislantes y tienen poca capacidad reversible para los iones de litio, "Singh dijo." Un análisis más detallado mostró que la conductividad eléctrica mejoró debido a la formación de una red de percolación de átomos de carbono conocida como 'carbono libre' que está presente en la fase cerámica del carbonitruro de silicio. Esto ocurre sólo cuando se añaden láminas de nitruro de boro al precursor de carbonitruro de silicio en su fase polimérica líquida antes de que se logre el curado ".