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La nueva batería acuosa de iones de litio mejora la seguridad sin sacrificar el rendimiento

Crédito: CC0 Public Domain

A medida que las baterías de iones de litio que alimentan la mayoría de los teléfonos, computadoras portátiles y vehículos eléctricos se cargan cada vez más rápido y tienen un alto rendimiento, también se vuelven cada vez más caras e inflamables.

En una investigación publicada recientemente en Energy Storage Materials, un equipo de ingenieros del Instituto Politécnico Rensselaer demostró cómo podían usar electrolitos acuosos en lugar de los electrolitos orgánicos típicos para ensamblar una batería sustancialmente más segura y rentable que aún funciona bien.

Si echaras un vistazo al interior de una batería, encontrarás dos electrodos, un ánodo y un cátodo. Estos electrodos están sumergidos en un electrolito líquido que conduce iones a medida que la batería se carga y descarga.

Los electrolitos acuosos han sido considerados para ese papel debido a su naturaleza no inflamable y porque, a diferencia de los electrolitos no acuosos, no son sensibles a la humedad en el proceso de fabricación, lo que los hace más fáciles de trabajar y menos costosos. El mayor desafío con este material ha sido mantener el rendimiento.

“Si aplica demasiado voltaje al agua, se electroliza, lo que significa que el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno”, dijo Nikhil Koratkar, profesor titular de ingeniería mecánica, aeroespacial y nuclear en Rensselaer. “Esto es un problema porque luego se desgasifica y el electrolito se consume. Por lo general, este material tiene una ventana de voltaje muy limitada”.

En esta investigación, Koratkar y su equipo, que incluía a Fudong Han, profesor asistente de cátedra de ingeniería mecánica, aeroespacial y nuclear, utilizaron un tipo especial de electrolito acuoso conocido como electrolito de agua en sal, que es menos probable que se produzca. electrolizar.

Para el cátodo, los investigadores utilizaron óxido de litio y manganeso, y para el ánodo, utilizaron óxido de niobio y tungsteno 攁 óxido complejo que, según Koratkar, no se había explorado antes en una batería acuosa.

“Resulta que el óxido de niobio y tungsteno es sobresaliente en términos de energía almacenada por unidad de volumen”, dijo Koratkar. “Volumétricamente, este fue, con mucho, el mejor resultado que hemos visto en una batería acuosa de iones de litio”.

El óxido de niobio y tungsteno, explicó, es relativamente pesado y denso. Ese peso hace que su almacenamiento de energía basado en la masa sea aproximadamente promedio, pero el denso empaque de partículas de óxido de tungsteno y niobio en el electrodo hace que su almacenamiento de energía basado en el volumen sea bastante bueno. La estructura cristalina de este material también tiene canales bien definidos (túneles) que permiten que los iones de litio se difundan rápidamente, lo que significa que puede cargarse rápidamente.

La combinación de la capacidad de carga rápida y la capacidad de almacenar una gran cantidad de carga por unidad de volumen, dijo Koratkar, es poco común en las baterías acuosas.

Lograr ese tipo de rendimiento, con un bajo costo y una seguridad mejorada, tiene implicaciones prácticas. Para aplicaciones emergentes como la electrónica portátil, los vehículos eléctricos y el almacenamiento en red, la capacidad de empaquetar la máxima cantidad de energía en un volumen limitado se vuelve crítica.


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