Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han descubierto que las baterías de iones de litio funcionan durante más tiempo y más rápido cuando sus electrodos se tratan con hidrógeno.

Las baterías de iones de litio (LIB) son una clase de tipos de baterías recargables en las que los iones de litio se mueven del electrodo negativo al electrodo positivo durante la descarga y viceversa durante la carga.

La creciente demanda de almacenamiento de energía enfatiza la necesidad urgente de baterías de mayor rendimiento. Varias características clave del rendimiento de la batería de iones de litio:capacidad, El voltaje y la densidad de energía se determinan en última instancia por la unión entre los iones de litio y el material del electrodo. Sutiles cambios en la estructura, La química y la forma de un electrodo pueden afectar significativamente la fuerza con la que se unen los iones de litio.

A través de experimentos y cálculos, El equipo de Livermore descubrió que los electrodos de nanoespuma de grafeno tratados con hidrógeno en los LIB muestran una mayor capacidad y un transporte más rápido.

"Estos hallazgos proporcionan información cualitativa para ayudar al diseño de materiales basados ​​en grafeno para electrodos de alta potencia, "dijo Morris Wang, un científico de materiales de LLNL y coautor de un artículo que aparece en la edición del 5 de noviembre de Nature Informes científicos .

Las baterías de iones de litio están ganando popularidad para aplicaciones aeroespaciales y de vehículos eléctricos. Por ejemplo, Las baterías de iones de litio se están convirtiendo en un reemplazo común de las baterías de plomo-ácido que se han utilizado históricamente para carritos de golf y vehículos utilitarios. En lugar de placas de plomo pesadas y electrolitos ácidos, la tendencia es utilizar paquetes de baterías de iones de litio livianos que puedan proporcionar el mismo voltaje que las baterías de plomo-ácido sin necesidad de modificar el sistema de conducción del vehículo.

Aplicaciones comerciales de materiales de grafeno para dispositivos de almacenamiento de energía, incluyendo baterías de iones de litio y supercondensadores, dependen fundamentalmente de la capacidad de producir estos materiales en grandes cantidades y a bajo costo. Sin embargo, Los métodos de síntesis química utilizados con frecuencia dejan importantes cantidades de hidrógeno atómico. cuyo efecto sobre el comportamiento electroquímico de los derivados del grafeno es difícil de determinar.

Sin embargo, los científicos de Livermore hicieron precisamente eso. Sus experimentos y cálculos de múltiples escalas revelan que el tratamiento deliberado a baja temperatura del grafeno rico en defectos con hidrógeno en realidad puede mejorar la capacidad de velocidad. El hidrógeno interactúa con los defectos del grafeno y abre pequeños huecos para facilitar la penetración del litio. lo que mejora el transporte. La capacidad reversible adicional es proporcionada por la unión de litio mejorada cerca de los bordes, donde es más probable que se una el hidrógeno.

"La mejora del rendimiento que hemos visto en los electrodos es un gran avance que tiene aplicaciones en el mundo real, "dijo Jianchao Ye, quien es un científico postdoctorado en la División de Ciencia de Materiales del Laboratorio, y el autor principal del artículo.

Estudiar la participación del hidrógeno y los defectos hidrogenados en la capacidad de almacenamiento de litio del grafeno, el equipo aplicó varias condiciones de tratamiento térmico combinadas con la exposición al hidrógeno y examinó el rendimiento electroquímico de los electrodos de nanoespuma de grafeno (GNF) 3-D, que se componen principalmente de grafeno defectuoso. El equipo utilizó nanoespuma de grafeno 3D debido a sus numerosas aplicaciones potenciales, incluido el almacenamiento de hidrógeno, catálisis, filtración, aislamiento, absorbentes de energía, desalación capacitiva, supercondensadores y LIB.

La naturaleza libre de aglutinantes de la espuma de grafeno 3D los hace ideales para estudios mecanicistas sin las complicaciones causadas por los aditivos.

"Encontramos una capacidad de velocidad drásticamente mejorada en los electrodos de nanoespuma de grafeno después del tratamiento con hidrógeno. Al combinar los resultados experimentales con simulaciones detalladas, pudimos rastrear las mejoras a las interacciones sutiles entre los defectos y el hidrógeno disociado. Esto da como resultado algunos pequeños cambios en la química y morfología del grafeno que resultan tener un efecto sorprendentemente enorme en el rendimiento. "dijo el científico de LLNL Brandon Wood, quien dirigió el esfuerzo teórico sobre el papel.

La investigación sugiere que el tratamiento con hidrógeno controlado puede usarse como una estrategia para optimizar el transporte de litio y el almacenamiento reversible en otros materiales de ánodos basados ​​en grafeno.