El metal de litio recubre el ánodo híbrido de grafeno y nanotubos de carbono en una batería creada en la Universidad de Rice. El metal de litio recubre la estructura tridimensional del ánodo y evita la formación de dendritas. Crédito:Tour Group / Rice University
Los científicos de la Universidad de Rice han creado una batería de metal de litio recargable con tres veces la capacidad de las baterías comerciales de iones de litio al resolver algo que ha dejado perplejos a los investigadores durante mucho tiempo:el problema de las dendritas.
La batería Rice almacena litio en un ánodo único, un híbrido perfecto de grafeno y nanotubos de carbono. El material creado por primera vez en Rice en 2012 es esencialmente una superficie de carbono tridimensional que proporciona un área abundante para que habite el litio.
El ánodo en sí se acerca al máximo teórico para el almacenamiento de metal de litio mientras resiste la formación de dendritas dañinas o depósitos "musgosos".
Las dendritas han obstaculizado los intentos de reemplazar los iones de litio con baterías avanzadas de metal de litio que duran más y se cargan más rápido. Las dendritas son depósitos de litio que crecen en el electrolito de la batería. Si puentean el ánodo y el cátodo y crean un cortocircuito, la batería puede fallar, prenderse fuego o incluso explotar.
Los investigadores de Rice dirigidos por el químico James Tour encontraron que cuando se cargan las nuevas baterías, El metal de litio recubre uniformemente el híbrido de carbono altamente conductor en el que los nanotubos se unen covalentemente a la superficie del grafeno.
Como se informó en la revista American Chemical Society ACS Nano , el híbrido reemplaza los ánodos de grafito en las baterías de iones de litio comunes que intercambian capacidad por seguridad.
Una imagen de microscopio electrónico muestra un nanotubo de carbono recubierto uniformemente con metal de litio. Las pruebas en el ánodo de nanotubos de grafeno-carbono creado en la Universidad de Rice muestran que resiste la formación de dendritas de litio que pueden dañar las baterías. Crédito:Tour Group / Rice University
"Las baterías de iones de litio han cambiado el mundo, sin duda, "Tour dijo, "pero son tan buenos como van a ser. La batería de su teléfono celular no durará más hasta que aparezca la nueva tecnología".
Dijo que el bosque de nanotubos del nuevo ánodo, con su baja densidad y alta superficie, tiene mucho espacio para que las partículas de litio entren y salgan a medida que la batería se carga y descarga. El litio se distribuye uniformemente, difundiendo la corriente transportada por los iones en el electrolito y suprimiendo el crecimiento de las dendritas.
Aunque la capacidad de la batería prototipo está limitada por el cátodo, el material del ánodo alcanza una capacidad de almacenamiento de litio de 3, 351 miliamperios hora por gramo, cerca del máximo teórico y 10 veces mayor que el de las baterías de iones de litio, Tour dijo. Debido a la baja densidad de la alfombra de nanotubos, la capacidad del litio para cubrir todo el camino hasta el sustrato asegura un uso máximo del volumen disponible, él dijo.
Los investigadores tuvieron su "¡Ajá!" momento en 2014, cuando el coautor principal Abdul-Rahman Raji, ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Tour y ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Cambridge, comenzó a experimentar con litio metálico y el híbrido de grafeno-nanotubos.
"Razoné que el metal de litio debe haberse plateado en el electrodo mientras analizaba los resultados de los experimentos llevados a cabo para almacenar iones de litio en el material del ánodo combinado con un cátodo de óxido de cobalto y litio en una celda llena, ", Dijo Raji." Estábamos emocionados porque el perfil de voltaje de la celda completa era muy plano. En ese momento, sabíamos que habíamos encontrado algo especial ".
Un gráfico muestra nanotubos de carbono unidos covalentemente a un sustrato de grafeno. El material creado en la Universidad de Rice se está probando como ánodo para baterías de metal de litio de alta capacidad. Crédito:Tour Group / Rice University
Dentro de una semana, Raji y el coautor principal Rodrigo Villegas Salvatierra, un investigador postdoctoral de Rice, depositaron metal de litio en un ánodo híbrido independiente para que pudieran tener una mirada más cercana con un microscopio. "Nos sorprendió encontrar que no crecieran dendritas, Y el resto es historia, "Dijo Raji.
Para probar el ánodo, el laboratorio de Rice construyó baterías completas con cátodos a base de azufre que retuvieron el 80 por ciento de la capacidad después de más de 500 ciclos de carga y descarga, aproximadamente dos años de uso para un usuario normal de teléfonos móviles, Tour dijo. Las imágenes de microscopio electrónico de los ánodos después de la prueba no mostraron signos de dendritas o estructuras similares al musgo que se han observado en los ánodos planos. A simple vista los ánodos dentro de las baterías del tamaño de un cuarto estaban oscuros cuando estaban vacíos de metal de litio y plata cuando estaban llenos, informaron los investigadores.
"Muchas personas que investigan sobre baterías solo fabrican el ánodo, porque hacer todo el paquete es mucho más difícil, ", Dijo Tour." Tuvimos que desarrollar una tecnología de cátodo acorde basada en azufre para acomodar estos ánodos de litio de ultra alta capacidad en sistemas de primera generación. Estamos produciendo estas baterías llenas cátodo más ánodo, a escala piloto, y están siendo probados ".
