Thomas Edison revisó miles de materiales antes de encontrar finalmente el filamento de tungsteno adecuado para fabricar una bombilla que funcionara. Este tipo de investigación de prueba y error continúa hoy en día y es responsable de innumerables inventos que mejoran nuestro mundo. Un ejemplo son los sistemas de baterías que ayudan a alimentar nuestras vidas de muchas maneras invisibles (e invisibles).
Sin embargo, mejorar estos materiales y herramientas requiere más que experimentación. Los ingenieros modernos también deben tener un conocimiento profundo de los principios generales que rigen el rendimiento de los materiales, lo que les permitirá diseñar mejores materiales para lograr requisitos de productos desafiantes.
En un artículo publicado el 13 de agosto Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), investigadores de la Universidad de Delaware, la Universidad Northwestern y la industria informan sobre una comprensión más amplia de cómo los electrones se mueven a través de capas conductoras de fluidos complejos llamados lodos que alimentan dispositivos electroquímicos como baterías y conductores de almacenamiento de energía que se encuentran en otros dispositivos.
Este es un trabajo importante que podría ayudar a superar las lagunas de conocimiento actuales sobre cómo los electrones saltan entre las partículas conductoras que se encuentran en estos materiales, mientras los ingenieros buscan nuevas formas de mejorar esta actividad.
El artículo es el resultado de una investigación colaborativa entre investigadores y ex investigadores postdoctorales de la UD dirigidos por Norman Wagner de la UD, el catedrático de Ingeniería Química y Biomolecular de UNIDEL Robert L. Pigford y Jeffrey Richards, profesor asistente de ingeniería química y biológica en la Universidad Northwestern. Los autores principales del artículo incluyen a la alumna de la UD Julie Hipp, que obtuvo un doctorado en ingeniería química y biomolecular en 2020 y ahora es científica senior en Procter & Gamble, y al ex estudiante graduado de NU Paolo en L’Oreal Ramos. El candidato a doctorado de NU, Qingsong Liu, también contribuyó a este trabajo.
Al combinar experimentos cuidadosamente diseñados y realizados con simulaciones y teorías de última generación, el equipo de investigación descubrió que aumentar el rendimiento requiere algo más que la formulación química, según Wagner. También requiere comprender cómo se comporta la conductividad eléctrica cuando se procesan y fabrican materiales de desecho.
“Para controlar el rendimiento del dispositivo, no basta con controlar la química, también tenemos que controlar la microestructura”, dijo Wagner. Esto se debe a que la microestructura final del material (es decir, cómo encajan todos los componentes) controla cómo se pueden mover los electrones, lo que afecta la potencia y la eficiencia del dispositivo.
El rendimiento depende de los detalles.
Aunque hay muchos dispositivos electroquímicos, sigamos por un momento con el ejemplo de una batería para analizar las cosas.
Las baterías producen electricidad cuando los electrones pasan a través de una solución o “lechada” hecha de material conductor y solvente a través de una reacción química. El funcionamiento de un sistema de batería depende del material, incluidos tanto la química como los procesos de fabricación utilizados para crearlo.
Piense en ello como si hubiera varios autos de carreras recorriendo una pista de carreras. Todos los autos de carreras tienen volante, llantas y motor, pero el método de construcción y ensamblaje de cada vehículo puede variar de un auto a otro. Entonces, el hecho de que un automóvil con motor y volante esté en la pista no significa que tenga el mismo rendimiento que otros automóviles. Lo mismo ocurre con los componentes principales de las baterías. Los detalles importan en cómo los juntas.
Las versiones conductoras de negro de carbón (u hollín) se utilizan comúnmente en baterías y en varios dispositivos electroquímicos. Son cristales de carbono de tamaño nanométrico que se forman de tal manera que se pegan y forman agregados o racimos, que pueden mezclarse con varios líquidos para formar una suspensión. Esta suspensión se utiliza luego para infundir o formar componentes para baterías u otros dispositivos.
“En este compuesto, los electrones pueden moverse muy rápidamente dentro del negro de humo, que es altamente conductor, como un cable eléctrico. Pero los electrones tienen que moverse de un grupo de partículas de negro de humo a otro porque la suspensión de negro de humo “Las partículas agregadas son no están unidos como una estructura sólida”, explicó Wagner.
Los investigadores demostraron previamente que la forma en que fluye el material de negro de carbón (su reología) juega un papel clave en el desempeño del material en la dispersión de neutrones en el Centro de Investigación de Neutrones del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland, por el Centro de Investigación de Neutrones de la UD. Ciencia de neutrones. En este nuevo estudio, el equipo de investigación amplía este trabajo para crear una hoja de ruta universal para comprender cómo la conductividad de la lechada que fluye depende de la química de los componentes que la componen y, lo que es más importante, de cómo se procesa la lechada.
Juntas, estas piezas forman un modelo sobre cómo procesar dispositivos de almacenamiento de energía durante la fabricación. Este tipo de hoja de ruta es prometedora para el diseño sistemático de materiales y una mejor capacidad para predecir el comportamiento de los dispositivos electroquímicos en la fase inicial.
“El estudio que hemos realizado nos permite comprender cómo la composición de esta suspensión de negro de carbón, esta suspensión agregada, afecta la eficiencia y el rendimiento de estos dispositivos”, dijo Wagner. “No estamos resolviendo el problema específico de las baterías de nadie. La esperanza es que otros puedan aplicar prácticamente nuestro trabajo fundamental a sus propios sistemas y problemas electroquímicos”.
Los investigadores esperan que este trabajo tenga un impacto en los métodos emergentes de almacenamiento de energía electroquímica y en las ventanas de diseño y procesamiento de las tecnologías de desionización del agua.
Wagner dio el ejemplo de los dispositivos electrolizadores que utilizan electricidad para dividir el agua en sus componentes de hidrógeno y oxígeno. Una de las partes más difíciles del proceso es mezclar y controlar las propiedades de la solución del material que permite al electrolizador hacer su trabajo y liberar las moléculas de hidrógeno que se pueden utilizar como recurso energético para otros fines. Según Wagner, las mejoras futuras en este tipo de dispositivos dependerán del procesamiento.
“Puedes lograr la química correcta, pero si no la ejecutas correctamente, no obtendrás la actuación que deseas”, dijo Wagner.
