Si agrega puntos cuánticos - nanocristales 10, 000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano:la batería de un teléfono inteligente se cargará en 30 segundos, pero el efecto solo dura unos pocos ciclos de recarga.

Sin embargo, un grupo de investigadores de la Universidad de Vanderbilt informa en la edición del 11 de noviembre de la revista ACS Nano que han encontrado una manera de superar este problema:hacer los puntos cuánticos de pirita de hierro, comúnmente conocido como oro de los tontos, puede producir baterías que se cargan rápidamente y funcionan durante docenas de ciclos.

El equipo de investigación dirigido por el profesor asistente de ingeniería mecánica Cary Pint y dirigido por la estudiante de posgrado Anna Douglas se interesó en la pirita de hierro porque es uno de los materiales más abundantes en la superficie de la tierra. Se produce en forma cruda como subproducto de la producción de carbón y es tan barato que se usa en baterías de litio que se compran en la tienda y se desechan después de un solo uso.

A pesar de toda su promesa, Los investigadores han tenido problemas para conseguir nanopartículas para mejorar el rendimiento de la batería.

"Los investigadores han demostrado que los materiales a nanoescala pueden mejorar significativamente las baterías, Pero hay un límite, "Pint dijo." Cuando las partículas se vuelven muy pequeñas, generalmente significa menos de 10 nanómetros (40 a 50 átomos de ancho), las nanopartículas comienzan a reaccionar químicamente con los electrolitos y, por lo tanto, solo pueden cargarse y descargarse unas pocas veces. Así que este régimen de tamaño está prohibido en las baterías comerciales de iones de litio ".

Con la ayuda de la experiencia de Douglas en la síntesis de nanopartículas, el equipo se propuso explorar este régimen "ultrapequeño". Lo hicieron agregando millones de puntos cuánticos de pirita de hierro de diferentes tamaños a las baterías de botón de litio estándar como las que se utilizan para alimentar los relojes. mandos a distancia de llave de automóvil y linternas LED. Obtuvieron el mayor provecho de su inversión cuando agregaron nanocristales ultrapequeños que tenían un tamaño de aproximadamente 4.5 nanómetros. Estos mejoraron sustancialmente tanto las capacidades de ciclo como de frecuencia de las baterías.

Los investigadores descubrieron que obtuvieron este resultado porque la pirita de hierro tiene una forma única de cambiar de forma a un compuesto de hierro y litio-azufre (o azufre de sodio) para almacenar energía. "Este es un mecanismo diferente de cómo las baterías comerciales de iones de litio almacenan carga, donde el litio se inserta en un material durante la carga y se extrae durante la descarga, todo mientras deja el material que almacena el litio en su mayor parte sin cambios, "Douglas explicó.

Según Pint, "Puedes pensar en ello como un pastel de vainilla. Almacenar litio o sodio en materiales de baterías convencionales es como empujar chispas de chocolate en el pastel y luego sacar las chispas intactas. Con los materiales interesantes que estamos estudiando, pones chispas de chocolate en un pastel de vainilla y se convierte en un pastel de chocolate con chispas de vainilla ".

Como resultado, ya no se aplican las reglas que prohíben el uso de nanopartículas ultrapequeñas en las baterías. De hecho, las escamas se inclinan a favor de nanopartículas muy pequeñas.

"En lugar de simplemente insertar iones de litio o sodio dentro o fuera de las nanopartículas, el almacenamiento en pirita de hierro también requiere la difusión de átomos de hierro. Desafortunadamente, el hierro se difunde lentamente, requiriendo que el tamaño sea más pequeño que la longitud de difusión del hierro, algo que solo es posible con nanopartículas ultrapequeñas, "Douglas explicó.

Una observación clave del estudio del equipo fue que estas nanopartículas ultrapequeñas están equipadas con dimensiones que permiten que el hierro se mueva a la superficie mientras que el sodio o el litio reacciona con los azufres en la pirita de hierro. Demostraron que este no es el caso de partículas más grandes, donde la incapacidad del hierro para moverse a través de los materiales de pirita de hierro limita su capacidad de almacenamiento.

Pint cree que la comprensión de los mecanismos de almacenamiento de productos químicos y cómo dependen de las dimensiones a nanoescala es fundamental para permitir la evolución del rendimiento de la batería a un ritmo que resista la ley de Moore y pueda respaldar la transición a los vehículos eléctricos.

"Las baterías del mañana que pueden cargarse en segundos y descargarse en días no solo usarán nanotecnología, se beneficiarán del desarrollo de nuevas herramientas que nos permitirán diseñar nanoestructuras que aguanten decenas de miles de ciclos y posean capacidades de almacenamiento de energía que rivalizan con las de la gasolina, ", dijo Pint." Nuestra investigación es un paso importante en esta dirección ".