Mejores baterías de ion litio funcionan con imanes
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publicado: 2016-07-18 a las 08:23:52

Chihuahua, Chih., Sábado 15 de Diciembre del 2018

Mejores baterías de ion litio funcionan con imanes

 

La investigación en baterías se enfoca en balanzar tres factores que compiten: desempeño, tiempo de vida y seguridad. Es típico, tener que sacrificar uno de estos para ganar en los otros dos. Pero para aplicaciones como vehículos eléctros, quisiéramos que los tres mejoraran.


En una investigación recientemente publicada en Nature Energy, científicos demostraron la habilidad de usar un campo magnético para alinear las placas de grafito dentro de los electrodos cuando estos son manufacturados. El alineamiento le da a los iones de litio un camino mas claro para transitar en la batería, llevando a mejorar el desempeño.

Los electrodos de las baterias de litio - ion son usualmente compuestos de grafito, el cual balancea atributos tales como alta densidad de energía y no toxicidad, seguridad y bajo costo. El grafito, compuesto de placas empalmadas de átomos de carbono, es incorporado generalmente en estos electrodos en la forma de partículas como ojuelas.

En tanto que el grafito tiene muchas ventajas, tiene algo malo: limita el movimiento de los iones de litio, lo cual es fundamental para la carga y descarga. Los iones de litio son solo capaces de moverse en los planos entre las hojas apiladas de grafeno y usualmente tienen que navegar un camino altamente tortuoso cuando se mueven durante la carga y la descarga. Esto hace que el movimiento entre los electrodos sea mas lento y sigue siendo uno de los retos críticos en el desarrollo de baterias con desempeño mejorado.

Los autores de la nueva investigación razonaron que debería de ser posible alinear las placas de grafito para que pudieran ofrecer un camino mas linear para los iones y su movimiento dentro de la batería. Para lograr esto, decidieron usar campos magnéticos. Solo hubo un problema: el grafito no responde a los campos magnéticos.

Para darle la vuelta a esto, los científicos recubrieron las placas con oxido de hierro superparamagnético en nano partículas. Las ojuelas de grafio recubiertas fueron luego suspendidas en etanol.

Homegenizaron la suspensión y agregaron una pequeña cantidad de un químico para hacer el enlace (2 % de peso de Poly (vinil pirrolidone) que ayudó a facilitar el proceso de  alineamiento. Una suspension relativamente diluída fue necesaria para darle a las ojuelas suficiente espacio durante el alineamiento.

Durante la fabricación de los electrodos, Las partículas de grafito fueron orientadas usando un campo magnético rotante alineado perpendicularmente a la parte de la batería que intercambiaría cargas con el grafito (llamado esto colector de corriente). Los científicos encontraron que un campo magnético tan bajo como 100mT era capaz de alinear las ojuelas. En comparación, esta fuerza magnética es mas grande que el promedio de un imán de refrigerador (1 mT), pero significativamente menor que un imán MRI (1.5T) como control, ellos también prepararon electrodos de referencia en la ausencia de un campo magnético.

Después de la fabricación, el equipo evaluó el alineamiento de las ojuelas de grafito depositadas bajo ambas condiciones. El analisis visual reveló una clara orientación de las ojuelas en los electrodos fabricados bajo la influencia de un campo magnético. Las ojuelas fueron orientadas en un angulo de 60 grados sobre el plano del colector de corriente actual. En contraste, las ojuelas de grafito en los electrodos de referencia cayeron paralelos al colector de corriente.

Luego, los científicos llegaron a cabo una serie de experimentos para evaluar el cambio en el cmaino de los iones de litio. Vieron que el campo magnético decreció la tortuosidad de los caminos a través de los electrods en un factor de 4 en comparación con los electrodos de referencia.


Finalmente, evaluaron como esto impactó el desempeño de la batería al hacer pruebas al electrodo en una configuración de media celda (es decir no construyeron toda una batería). En rangos de carga prácticos, el alineamiento del grafito incrementó la capacidad de almacenamiento  del electrodo en un factor entre 1.6 a 3.

Esta investigación demuestra que la química no es el único factor importante en el diseño de las baterías - la optimización de la arquitectura de los electrodos puede también ayudar a darle un impulso en el desempeño de las baterías. Estudios futuros requieren determinar la escalabilidad de esta técnica.



 

 

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