Un electrodo de batería similar al papel desarrollado por un ingeniero de la Universidad Estatal de Kansas puede mejorar las herramientas para la exploración espacial o los vehículos aéreos no tripulados.

Gurpreet Singh, profesor asociado de ingeniería mecánica y nuclear, y su equipo de investigación creó el electrodo de la batería utilizando vidrio de oxicarburo de silicio y grafeno.

El electrodo de la batería tiene todas las características adecuadas. Es más del 10 por ciento más ligero que otros electrodos de batería. Tiene una eficiencia cíclica cercana al 100 por ciento durante más de 1000 ciclos de carga y descarga. Está hecho de materiales de bajo costo que son subproductos de la industria de la silicona. Y funciona a temperaturas tan bajas como menos 15 grados C, lo que le confiere numerosas aplicaciones aéreas y espaciales.

La investigación aparece en Comunicaciones de la naturaleza artículo "Electrodo de papel compuesto de vidrio-grafeno de oxicarburo de silicio para baterías de iones de litio de ciclo largo".

El equipo de investigación de Singh ha estado explorando nuevas combinaciones de materiales para el diseño de baterías y electrodos. Ha sido difícil incorporar grafeno y silicio en baterías prácticas debido a los desafíos que surgen con cargas de gran masa, como baja capacidad por volumen, baja eficiencia de los ciclos e inestabilidad químico-mecánica.

El equipo de Singh ha abordado estos desafíos mediante la fabricación de un electrodo autoportante y listo para usar que consiste en una cerámica vítrea llamada oxicarburo de silicio intercalado entre grandes plaquetas de grafeno químicamente modificado. o CMG. El electrodo tiene una alta capacidad de aproximadamente 600 miliamperios-hora por gramo (400 miliamperios-hora por centímetro cúbico) que se deriva del oxicarburo de silicio. El diseño similar al papel está hecho de un 20 por ciento de plaquetas de grafeno modificado químicamente.

"El diseño similar al papel es marcadamente diferente de los electrodos utilizados en las baterías actuales porque elimina el soporte de la hoja de metal y el pegamento polimérico, los cuales no contribuyen a la capacidad de la batería, "Dijo Singh.

El diseño que desarrolló el equipo de Singh ahorró aproximadamente un 10 por ciento en el peso total de la celda. El resultado es un electrodo liviano capaz de almacenar iones de litio y electrones con una eficiencia cíclica cercana al 100 por ciento durante más de 1000 ciclos de descarga de carga. El aspecto más importante es que el material es capaz de demostrar dicho rendimiento a niveles prácticos, Dijo Singh.

Las celdas de electrodos de papel también pueden ofrecer una capacidad de 200 miliamperios-hora por gramo, incluso cuando se mantienen a menos 15 grados C durante aproximadamente un mes. lo cual es bastante notable teniendo en cuenta que la mayoría de las baterías no funcionan a temperaturas tan bajas, Dijo Singh.

“Esto sugiere que las baterías recargables de electrodos de grafeno y vidrio de silicio también pueden ser adecuadas para vehículos aéreos no tripulados que vuelan a grandes altitudes, o incluso aplicaciones espaciales, "Dijo Singh.

El material de oxicarburo de silicio en sí es bastante especial, Dijo Singh. Se prepara calentando una resina líquida hasta el punto en que se descompone y se transforma en partículas afiladas parecidas al vidrio. El silicio Los átomos de carbono y oxígeno se reorganizan en una estructura tridimensional aleatoria y cualquier exceso de carbono se precipita hacia las regiones celulares. Una estructura 3-D tan abierta crea grandes sitios para el almacenamiento de litio reversible y canales suaves para el transporte de iones de litio. Esta estructura y mecanismo de almacenamiento de litio es diferente a los electrodos de silicio cristalino. Se espera que los electrodos de oxicarburo de silicio sean de bajo costo porque la materia prima, la resina líquida, es un subproducto de la industria de la silicona.

Avanzando Singh y su equipo quieren abordar desafíos prácticos. El objetivo de Singh es producir este material de electrodo en dimensiones aún mayores. Por ejemplo, Las baterías de tipo lápiz de hoy en día utilizan electrodos de lámina de cobre recubiertos de grafito que miden más de un pie de largo. Al equipo también le gustaría realizar pruebas de flexión mecánica para ver cómo afectan los parámetros de rendimiento.

"Por último, nos gustaría trabajar con la industria para explorar la producción de baterías de iones de litio de celdas completas, "Singh dijo." El oxicarburo de silicio también se puede preparar mediante impresión 3-D, que es otra área de interés para nosotros ".