Baterías de metal de litio, que pueden contener hasta 10 veces más carga que las baterías de iones de litio que actualmente alimentan nuestros teléfonos. computadoras portátiles y automóviles:no se han comercializado debido a un defecto fatal:a medida que estas baterías se cargan y descargan, el litio se deposita de manera desigual sobre los electrodos. Esta acumulación acorta la vida de estas baterías demasiado para hacerlas viables, y más importante, puede provocar un cortocircuito en las baterías y un incendio.

Ahora, Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago han desarrollado una solución a este problema en forma de una 'nanohoja' recubierta de óxido de grafeno que, cuando se coloca entre los dos electrodos de una batería de metal de litio, previene el enchapado desigual de litio y permite que la batería funcione de manera segura durante cientos de ciclos de carga / descarga. Informan sus hallazgos en la revista. Materiales funcionales avanzados .

"Nuestros hallazgos demuestran que los materiales bidimensionales, en este caso, óxido de grafeno:puede ayudar a regular la deposición de litio de tal manera que prolonga la vida útil de las baterías de metal de litio, "dijo Reza Shahbazian-Yassar, profesor asociado de ingeniería mecánica e industrial de la Facultad de Ingeniería de la UIC y autor correspondiente del artículo.

Las baterías de metal de litio son muy útiles debido a su alta densidad de energía y su peso relativamente ligero en comparación con las baterías convencionales. Sin embargo, en el transcurso de muchos ciclos de carga y descarga, El litio se acumula de manera desigual en el electrodo de metal de litio de la batería en un patrón ramificado o 'dendrítico' y, en última instancia, hace que la batería se agote. Si las dendritas crecen a través de la solución de electrolito y entran en contacto con el otro electrodo, entonces la batería puede experimentar un evento catastrófico; en otras palabras, una explosión o un incendio.

En baterías de iones de litio, se coloca un separador en el electrolito. Generalmente hecho de un polímero poroso o fibras de vitrocerámica, el separador permite que los iones de litio fluyan mientras mantiene bloqueados los otros componentes para evitar cortocircuitos eléctricos, que puede provocar incendios.

Reza y sus colegas utilizaron un separador modificado en una batería de metal de litio para modular el flujo de iones de litio para controlar la tasa de deposición de litio y ver si podían evitar la formación de dendritas. Rociaron un separador de fibra de vidrio con óxido de grafeno, produciendo lo que llamaron una nanohoja.

Usando microscopía electrónica de barrido y otras técnicas de imagen, los investigadores demostraron que cuando la nanoplaca se usaba en una batería de metal de litio, una película uniforme de litio formada en la superficie del electrodo de litio, que en realidad mejora la función de la batería y hace que la batería sea mucho más segura, dijo Tara Foroozan, estudiante de posgrado en la Facultad de Ingeniería de la UIC y primer autor de este estudio.

Simulaciones moleculares, dirigido por un equipo de investigadores de la Universidad de Texas A &M, sugirió que los iones de litio se unan temporalmente al óxido de grafeno, y luego difundir a través de áreas de defectos nanoscópicos en la hoja. Esto retrasa el paso de los iones de litio lo suficiente como para evitar la formación de deposición dendrítica de litio en el electrodo.

"La nanohoja ralentiza el paso de los iones de litio lo suficiente como para permitir un recubrimiento más uniforme de los iones de litio en la superficie del electrodo, que ayuda a preservar la vida de la batería, "dijo Reza.

Resultados de los cálculos de modelado de campo de fase dirigidos por Farzad Mashayek, profesor y director de ingeniería mecánica e industrial de la Facultad de Ingeniería de la UIC y autor del artículo, indicó que el óxido de grafeno también puede suprimir mecánicamente el crecimiento de dendritas de litio.

"Demostramos que los materiales de óxido de grafeno bidimensionales pueden impedir la formación de dendritas al cambiar la velocidad de difusión de iones de litio a medida que atraviesan las capas de óxido de grafeno, ", dijo Shahbazian-Yassar." Este método tiene un potencial muy alto para la aplicación industrial y la escalabilidad ".