Un campo magnético aumenta un electrodo grueso para las baterías de iones de litio. Crédito: Universidad de Texas, Austin.
Abordando los desafíos de las baterías para vehículos eléctricos
27 de septiembre de 2022| Historia original de la Universidad de Texas en Austin
A medida que los vehículos eléctricos crecen en popularidad, el foco de atención brilla más intensamente en algunos de sus principales problemas restantes. Investigadores de la Universidad de Texas en Austin están abordando dos de los mayores desafíos que enfrentan los vehículos eléctricos: el alcance limitado y la recarga lenta.
Los investigadores fabricaron un nuevo tipo de electrodo para baterías de iones de litio que podría liberar una mayor potencia y una carga más rápida. Lo hicieron creando electrodos más gruesos, las partes cargadas positiva y negativamente de la batería que entregan energía a un dispositivo, utilizando imanes para crear una alineación única que evita los problemas comunes asociados con el tamaño de estos componentes críticos.
El resultado es un electrodo que potencialmente podría facilitar el doble de autonomía con una sola carga para un vehículo eléctrico, en comparación con una batería que utiliza un electrodo comercial existente.
“Los materiales bidimensionales se han propuesto comúnmente como candidatos prometedores para aplicaciones de almacenamiento de energía de alta velocidad porque solo necesitan tener varios nanómetros de espesor para el transporte de carga rápida”, explica Guihua Yu, profesor del Departamento Walker de Ingeniería Mecánica de UT Austin y el Instituto de Materiales de Texas. “Sin embargo, para las baterías de próxima generación y alta energía basadas en el diseño de electrodos gruesos, el reapilamiento de nanoláminas como bloques de construcción puede causar cuellos de botella significativos en el transporte de carga, lo que lleva a la dificultad de lograr una carga rápida y de alta energía”.
La clave del descubrimiento, publicada en Proceedingsof the National Academy of Sciences, utiliza materiales bidimensionales delgados como bloques de construcción del electrodo, apilándolos para crear espesor y luego utilizando un campo magnético para manipular sus orientaciones. El equipo de investigación utilizó imanes disponibles comercialmente durante el proceso de fabricación para organizar los materiales bidimensionales en una alineación vertical, creando un carril rápido para que los iones viajen a través del electrodo.
Por lo general, los electrodos más gruesos obligan a los iones a viajar distancias más largas para moverse a través de la batería, lo que conduce a un tiempo de carga más lento. La alineación horizontal típica de las capas de material que componen el electrodo obliga a los iones a serpentear hacia adelante y hacia atrás.
“Nuestro electrodo muestra un rendimiento electroquímico superior en parte debido a la alta resistencia mecánica, la alta conductividad eléctrica y el transporte facilitado de iones de litio gracias a la arquitectura única que diseñamos”, explica Zhengyu Ju, un estudiante graduado en el grupo de investigación de Yu que lidera este proyecto.
Además de comparar su electrodo con un electrodo comercial, también fabricaron un electrodo dispuesto horizontalmente utilizando los mismos materiales para fines de control experimental. Pudieron recargar el electrodo grueso vertical al 50% del nivel de energía en 30 minutos, en comparación con 2 horas y 30 minutos que requiere el electrodo horizontal.
Los investigadores enfatizaron que están al principio de su trabajo en esta área. Observaron un solo tipo de electrodo de batería en esta investigación.
Su objetivo es generalizar su metodología de capas de electrodos organizadas verticalmente para aplicarla a diferentes tipos de electrodos utilizando otros materiales. Esto podría ayudar a que la técnica se adopte más ampliamente en la industria, por lo que podría permitir futuras baterías de carga rápida pero de alta energía que alimentan los vehículos eléctricos.
Referencia
Ju Z, King ST, Xu X, et al. Vertically assembled nanosheet networks for high-density thick battery electrodes. PNAS. 2022;119(40):e2212777119. doi:10.1073/pnas.2212777119
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