Un nuevo estudio realizado por investigadores chinos demuestra un enfoque novedoso para mejorar el rendimiento de almacenamiento de baterías y condensadores. Los investigadores desarrollaron una forma simple pero eficiente de producir un material con un rendimiento excelente para su uso en dispositivos que dependen del almacenamiento de iones de litio.

Publicaron sus hallazgos en Nano Research el 1 de abril.

¿Por qué litio?

Las tecnologías de almacenamiento de energía son cada vez más importantes a medida que el mundo avanza hacia la neutralidad de carbono, buscando electrificar aún más los sectores automotriz y de energía renovable. La tecnología de iones de litio es fundamental para impulsar este cambio.

"Entre todos los candidatos disponibles, los dispositivos de almacenamiento de energía que emplean la química de almacenamiento de litio, como las baterías de iones de litio y los condensadores de iones de litio, podrían ofrecer el mejor rendimiento en la etapa actual", dice el autor del estudio Han Hu, investigador del Instituto. de Nueva Energía, Universidad China del Petróleo.

Sin embargo, la utilización de la tecnología de iones de litio en el almacenamiento de energía está limitada por su eficiencia en relación con el tamaño. Un estudio de 2021 citado por los autores afirma que para mejorar la competitividad en el mercado de los vehículos eléctricos, las baterías de iones de litio deben volverse más eficientes tanto en peso como en volumen. Por lo tanto, una mayor mejora en la capacidad de almacenamiento puede ser clave para lograr los objetivos de neutralidad de carbono, lo que hace que la investigación sobre el rendimiento de las baterías de iones de litio y los condensadores mediante el uso de materiales novedosos sea de suma importancia.

Construyendo un material novedoso

Los materiales carbonosos dopados con nitrógeno son la opción dominante actual en las baterías y condensadores de almacenamiento de litio, siendo la transferencia de electrones e iones los procesos fundamentales para el almacenamiento de energía electroquímica. Sin embargo, debido a que los materiales carbonosos no son polares, con cargas distribuidas por igual en sus moléculas, el litio cargado (Li ⁺ ) no se adhiere fácilmente a los materiales, a pesar de su configuración no saturada que le otorga una adecuada energía de unión.

Por lo tanto, los investigadores unieron nanofibras de carbono con hierro (Fe) para regular la química de su superficie y facilitar una mayor transferencia de iones y electrones. Usando electrospinning, produjeron una serie de muestras de nanofibras de carbono con contenido de Fe. Luego evaluaron el Li ⁺ Rendimiento de almacenamiento de las muestras utilizando una variedad de métodos de prueba electroquímicos. La microscopía electrónica de barrido y transmisión reveló una red 3D interconectada de fibras suaves sin grumos de partículas de hierro, lo que indica que estaban bien dispersas.

The results revealed that adding atomic Fe changed the electronic structure of the carbon materials to promote more electrical conductivity as well as reduce the diffusion resistance of the Li ⁺ . The researchers explain that the electrochemical performance was enhanced mainly through a synergistic effect of the atomic Fe and the formation of an Fe-N bond that exposed more active sties to which Li ⁺ could adhere. The outcome was improvement in lithium storage performance. The manufactured anode delivered sustained electric power through 5000 cycles of high current density, providing both high energy and large power density. Its interlaced fiber structure conferred structural stability and improved conductivity.

Study author Yanan Li, also a researcher at the China University of Petroleum, explains how the materials conformation pioneered in this study "achieved kinetically accelerated Li ⁺ storage and decent performance at high mass loadings," using "a simple method to produce atomic Fe decorated carbon nanofibers."

Looking forward

The study authors emphasize that the use of carbon nanofibers could bridge the gap between basic research and practical applications. They anticipate adoption of the novel material for use in a range of energy storage devices. "The electrospun carbon nanofiber mats are highly flexible, suggesting their possibility of constructing flexible and wearable energy storage devices," says Hu. The carbon nanofiber mats would serve as the electrodes. Also, say the researchers, they aim to explore the use of other single atom metals sodium, potassium, and zinc for augmenting storage of electrochemical energy. + Explora más

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