Mientras que las baterías de iones de litio, ampliamente utilizado en dispositivos móviles, desde teléfonos celulares hasta computadoras portátiles, tienen una de las mayores vidas útiles de las baterías comerciales en la actualidad, también han estado detrás de una serie de fusiones e incendios recientes debido a cortocircuitos en dispositivos móviles. Con la esperanza de prevenir más de estas fallas peligrosas, los investigadores de la Universidad de Drexel han desarrollado una receta que puede convertir la solución de electrolitos, un componente clave de la mayoría de las baterías, en una protección contra el proceso químico que conduce a desastres relacionados con las baterías.

Yury Gogotsi, Doctor, Distinguido profesor universitario y de Bach en la Facultad de Ingeniería, y su equipo de investigación del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, publicó recientemente su trabajo, titulado "Los nanodiamantes suprimen el crecimiento de las dendritas de litio", en la revista Comunicaciones de la naturaleza . En eso, describen un proceso mediante el cual los nanodiamantes (diminutas partículas de diamante 10, 000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello:reduzca la deposición electroquímica, llamado enchapado, que puede provocar un peligroso cortocircuito de las baterías de iones de litio.

A medida que se usan y cargan las baterías, la reacción electroquímica da como resultado el movimiento de iones entre los dos electrodos de una batería, que es la esencia de una corriente eléctrica. Tiempo extraordinario, este reposicionamiento de iones puede crear acumulaciones en forma de zarcillo, casi como estalactitas que se forman dentro de una cueva. Estas acumulaciones de batería, llamadas dendritas, son una de las principales causas del mal funcionamiento de la batería de litio. A medida que se forman dendritas dentro de la batería con el tiempo, pueden llegar al punto donde empujan a través del separador, una película de polímero poroso que evita que la parte cargada positivamente de una batería toque la parte cargada negativamente. Cuando se rompe el separador, puede producirse un cortocircuito, lo que también puede provocar un incendio, ya que la solución de electrolito en la mayoría de las baterías de iones de litio es altamente inflamable.

Para evitar la formación de dendritas y minimizar la probabilidad de incendio, Los diseños actuales de baterías incluyen un electrodo hecho de grafito lleno de litio en lugar de litio puro. El uso de grafito como huésped del litio evita la formación de dendritas. Pero el grafito intercalado de litio también almacena aproximadamente 10 veces menos energía que el litio puro. El avance realizado por el equipo de Gogotsi significa que es posible un gran aumento en el almacenamiento de energía porque la formación de dendrita se puede eliminar en los electrodos de litio puro.

"La seguridad de la batería es un tema clave para esta investigación, ", Dijo Gogotsi." Las pequeñas baterías primarias de los relojes usan ánodos de litio, pero solo se dan de alta una vez. Cuando empiece a cargarlos una y otra vez, las dendritas comienzan a crecer. Puede haber varios ciclos seguros, pero tarde o temprano ocurrirá un cortocircuito. Queremos eliminar o, por lo menos, minimizar esa posibilidad ".

Gogotsi y sus colaboradores de la Universidad de Tsinghua en Beijing, y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hauzhong en Wuhan, Porcelana, centró su trabajo en hacer que los ánodos de litio sean más estables y el recubrimiento de litio más uniforme para que las dendritas no crezcan.

Lo están haciendo agregando nanodiamantes a la solución de electrolitos en una batería. Los nanodiamantes se han utilizado en la industria de la galvanoplastia durante algún tiempo como una forma de hacer que los recubrimientos metálicos sean más uniformes. Si bien son muchos, mucho más pequeños (y más baratos) que los diamantes que encontrarías en un joyero, Los nanodiamantes aún conservan la estructura y la forma regulares de sus costosos progenitores. Cuando se depositan, naturalmente se deslizan juntos para formar una superficie lisa.

Los investigadores encontraron que esta propiedad es sumamente útil para eliminar la formación de dendrita. En el papel, explican que los iones de litio se pueden unir fácilmente a los nanodiamantes, de modo que cuando colocan el electrodo en placas, lo hacen de la misma manera ordenada que las partículas de nanodiamantes a las que están vinculadas. Informan en el documento que mezclar nanodiamantes en la solución de electrolito de una batería de iones de litio ralentiza la formación de dendrita a cero a través de 100 ciclos de carga y descarga.

Si lo piensas como un juego de Tetris, esa pila de bloques que no coinciden avanzando peligrosamente cerca de "fin del juego" es el equivalente a una dendrita. Agregar nanodiamantes a la mezcla es como usar un código de trampa que desliza cada bloque nuevo en el lugar adecuado para completar una línea y evitar que se forme una torre amenazante.

Gogotsi señala que el descubrimiento de su grupo es solo el comienzo de un proceso que eventualmente podría ver aditivos de electrolitos, como nanodiamantes, ampliamente utilizado para producir baterías de litio seguras con una alta densidad de energía. Los resultados iniciales ya muestran un ciclo de carga-descarga estable durante 200 horas, que es lo suficientemente largo para su uso en algunas aplicaciones industriales o militares, pero no es ni de lejos adecuado para las baterías que se usan en computadoras portátiles o teléfonos celulares. Los investigadores también deben probar una gran cantidad de celdas de batería durante un período de tiempo lo suficientemente largo en diversas condiciones físicas y temperaturas para garantizar que las dendritas nunca crezcan.

"Es potencialmente un cambio de juego, pero es difícil estar 100% seguro de que las dendritas nunca crecerán, ", Dijo Gogotsi." Anticipamos que el primer uso de nuestra tecnología propuesta será en aplicaciones menos críticas, no en teléfonos celulares o baterías de automóviles. Para garantizar la seguridad, aditivos para electrolitos, como los nanodiamantes, debe combinarse con otras precauciones, como el uso de electrolitos no inflamables, materiales de electrodos más seguros y separadores más resistentes ".