Desde la demanda global de vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable, así como tecnologías de batería baratas y sostenibles. Una nueva investigación dirigida por investigadores del Departamento de Ciencia y Nano Engineering de la Universidad de Rice, junto con colegas de la Universidad de Beller y del Instituto Indio de Educación e Investigación de Ciencias, Trinityhapurm, ha introducido una solución moderna que influye en la tecnología de almacenamiento de energía electroquímica. La investigación se publicó recientemente en la revista Materiales funcionales modernos.
Utilizando la producción lateral de la industria del petróleo y el gas, el equipo trabajó con estructuras gráficas puras de materiales de carbono únicos: pequeños conos y discos. Estas formas extraordinarias fabricadas por la pirosis de la escala de carbono hidroeléctrica pueden ayudar a hacer frente a un largo desafío de los ánodos en la investigación de la batería: cómo almacenar energía con elementos como sodio y potasio, que son más baratos que el litio.
“Durante años, sabemos que el sodio y el potasio son alternativas atractivas al litio”, dijo Mary Greenwood Anderson, profesora de ingeniería del mismo autor, Palic Ajian, Benjamin M. y Rice. “Pero el desafío siempre ha estado buscando contenido de ánodo basado en carbono que pueda guardar efectivamente estos grandes iones”.
Romper la barrera de grafito
Las baterías tradicionales de iones de litio dependen del grafito como material de ánodo. Sin embargo, cuando se trata de sodio o potasio, falla la misma estructura de grafito. Sus átomos son conversaciones enormes y muy complejas para entrar y salir de las capas de grafito.
Pero al reiniciar la forma de carbono a nivel de microscopio, el equipo encontró un trabajo. Las consects y las estructuras de disco ofrecen rotación y espaciado que dan la bienvenida a los iones de sodio y potasio sin la necesidad de dopaje químico (agregando deliberadamente pequeñas cantidades de átomos o moléculas para cambiar sus propiedades) u otras modificaciones artificiales.
“Nos sorprendió descubrir qué tan bien se realizaron estas estructuras gráficas puras y curvas”, dijo Etin Permik, un colega de Post Documentary en el Laboratorio de Ajian. “Incluso sin los calados, permitieron reemplazar los iones de sodio y lo hicieron con al menos estrés estructural”.
Duradero, expandido y verde
En las pruebas de laboratorio, el cono de carbono y los discos se almacenaron a cargo de aproximadamente 230 ml de lámparas por gramo (mAh/g) usando iones de sodio en los discos, y también tenían 151 mAh/g después de 2,000 ciclos de carga agudos. También le fue bien con las baterías de iones de potasio, pero el rendimiento no fue tan fuerte como con el sodio.
Las técnicas modernas de imágenes como la microscopía electrónica de transmisión creojic y la resonancia magnética nuclear de estado sólido han confirmado que los iones están entrando y saliendo de la estructura de carbono como se esperaba, y que el material tiene su forma en miles de ciclos de carga.
“Esta es una de las primeras demostraciones claras de sodio, es decir, intercomunicador en materiales gráficos puros con tal estabilidad”, dijo Pramik. “Desafía la creencia de que el grafito puro no puede funcionar con sodio”.
Las implicaciones son ampliamente. Esto no solo allanó el camino para baterías baratas de iones de sodio, sino que también reduce la dependencia del litio, que se está volviendo más costosa y geográficamente complicada para la fuente. Y dado que el cono/carbono del disco se puede sintetizar del producto producido por la industria del petróleo y el gas, ofrece una forma más duradera de fabricar el ánodo de la batería.
Una ubicación significativa para el diseño de la batería
Aunque la mayoría de las investigaciones en esta área se han centrado en el carbono estricto o los materiales doppados, un nuevo estudio es un eje de estrategia: la modificación química enfatiza la morfología.
“Creemos que este descubrimiento ha abierto un nuevo espacio para los ánodos de batería”, dijo Ajian. “En lugar de cambiar la química, estamos cambiando la forma, y es igual de interesante”.
“No solo estamos produciendo un mejor contenido de batería”, dijo Pramikk. “Estamos ofreciendo una forma real para el almacenamiento de energía limpio, barato y más ampliamente disponible para todos”.
Esta investigación ayudó al poder de Omega y al Departamento de Ciencia y Tecnología de la India.
