A fines de julio de 2008, un avión solar británico voló durante tres días a gran altura, creando un registro de resistencia de vuelo no oficial. Tal vez se sepa poco, las baterías de litio-azufre (Li-S) se han convertido en el mayor avance tecnológico en sus componentes. Uno, alimenta el avión por la noche, y su eficiencia es inigualable incluso en la parte superior de la batería.
Avión solar Zephyr S (foto de la red) Diez años más tarde, el mundo parece estar esperando la comercialización de las baterías Li-S. El avance de los investigadores de la Universidad de Drexel acaba de eliminar los enormes obstáculos que dificultan su supervivencia.
Las compañías de tecnología han aprendido que el desarrollo de computadoras portátiles, teléfonos móviles y vehículos eléctricos depende de una mejora constante en el rendimiento de la batería. La tecnología solo puede avanzar si la batería lo permite. Actualmente, las baterías de ión de litio son consideradas Es la mejor batería del mercado: está llegando al límite de la mejora.
A medida que el rendimiento de la batería se acerca a la estabilidad, algunas compañías están tratando de reducir el tamaño de los componentes internos que no contribuyen al almacenamiento de energía al comprimir el último voltio en el dispositivo de almacenamiento. Estos cambios estructurales pueden tener algunos efectos secundarios desafortunados. Por ejemplo, una serie de accidentes de explosión ocurrieron en los teléfonos móviles de Samsung en 2016.
Teléfono móvil Samsung después de explosión de batería (imagen de la red) Investigadores y compañías de tecnología están investigando cómo las baterías de litio-azufre (Li-S) eventualmente reemplazarán a las baterías de iones de litio, porque esta nueva reacción química teóricamente pone más energía en una sola batería, una medida Esto se denomina densidad de energía en el desarrollo de la batería. Esta mejora aumenta aproximadamente 5-10 veces la capacidad de una batería de iones de litio, lo que equivale a un mayor tiempo de funcionamiento de la batería entre esta carga y la siguiente.
El problema es que la batería Li-S no puede continuar manteniendo su capacidad superior después de que se hayan completado las primeras cargas. Resulta que el azufre, como un componente clave en el aumento de la densidad de energía, estará en forma de un intermedio de "polisulfuro" del electrodo. La migración, lo que resulta en la pérdida de este componente clave y la degradación del rendimiento durante la recarga.
Los científicos han estado tratando de estabilizar estas reacciones de polisulfuro dentro de las baterías Li-S durante años, pero la mayoría de los intentos tienen otras complicaciones, como agregar peso a las baterías, requerir materiales caros o agregar varios pasos de procesamiento complicados. Pero ahora ha nacido un nuevo método. Un estudio realizado por la Escuela de Ingeniería de Drexels en el último número del Journal of Applied Chemistry and Interfaces de la American Chemical Society se titula 'Nanofibras de dióxido de titanio (TiO) como Li Informe sobre fijadores de polisulfuro en baterías -S: Evidencia de interacciones ácido-base de Lewis, lo que sugiere que puede mantener los polisulfuros en su lugar, manteniendo la impresionante resistencia de dichas células al tiempo que reduce el peso total y las produce Tiempo requerido.
Hemos creado Estera de nanofibra porosa de óxido de titanio independiente Como el material del cátodo en las baterías de litio-azufre, dijo el Dr. Vibha Kalra. Es profesor asistente en la Escuela de Ingeniería, el principal autor de investigación. "Este es un gran avance porque encontramos que nuestro cátodo de titanio-azufre tiene una alta conductividad. , capaz de combinar polisulfuro a través de fuertes interacciones químicas, lo que significa que puede mejorar la capacidad específica de la batería mientras mantiene su rendimiento impresionante. También podemos probar que esto puede eliminar completamente el aglutinante y colocarlo en el lado del cátodo. Aparatos eléctricos, que representan el 30-50% del peso del electrodo: nuestro método toma solo unos segundos para formar un cátodo de azufre. El estándar actual puede demorar hasta medio día '.
Sus resultados muestran que la malla de nanofibras es similar al nido a nivel microscópico y es una excelente plataforma de cátodo de azufre, ya que puede atraer y capturar el polisulfuro producido por la batería. Mantener el polisulfuro en la estructura del cátodo evita la lanzadera. Esta es una degradación del rendimiento que se produce cuando se disuelven en la solución de electrolito en la que el cátodo y el ánodo se separan de la batería.
Según Kalra, este diseño de cátodo no solo ayuda a que la batería Li-S mantenga su densidad de energía, sino que también lo logra sin agregar materiales adicionales que aumenten el peso y los costos de producción.
Para lograr estos objetivos duales, el equipo realizó un estudio en profundidad de esto, incluidos los mecanismos de reacción y la formación de polisulfuro para comprender mejor cómo los materiales de los electrodos anfitriones los ayudan.
Este estudio muestra que existe una fuerte interacción ácido-base de Lewis entre el óxido de titanio y el azufre en el cátodo, lo que evita que el polisulfuro ingrese al electrolito, que es la razón principal de la disminución del rendimiento de la batería. Uno de los autores, Kalras Lab. El Dr. Arvinder Singh, un investigador postdoctoral, dijo.
Esto significa que su diseño de cátodo puede ayudar a las células Li-S a mantener su densidad de energía, y sin materiales adicionales para aumentar el peso y los costos de producción, la investigación anterior de Kalra sobre electrodos de nanofibras muestra que tienen múltiples ventajas Baterías de sobrecorriente. Tienen una superficie mayor que el electrodo actual, lo que significa que pueden adaptarse a la expansión durante la carga, lo que aumenta la capacidad de almacenamiento de la batería. Al rellenar el gel de electrolito, eliminan los componentes inflamables del dispositivo. , minimizando su sensibilidad a fugas, incendios y explosiones.
Se crean mediante un proceso de electrospinning que parece hacer malvaviscos, lo que significa que tienen una ventaja sobre los electrodos estándar basados en polvo, que requieren aislantes y productos químicos adhesivos que pueden degradar el rendimiento durante la producción. .
Creación electrospinning Proceso , parece hacer malvaviscos. (Imagen de la web) Para producir una plataforma de cátodo independiente y sin aglomerantes para mejorar el rendimiento de la batería, Kalras Labs desarrolló una tecnología de deposición de azufre rápida que agrega azufre a su sustrato en solo cinco segundos.
"Este programa funde el azufre en capas de nanofibras en un ambiente de presión ligera de 140 grados centígrados, sin procesar mucho tiempo ni usar productos químicos tóxicos mezclados, al tiempo que mejora la efectividad del cátodo después de un uso prolongado. El electrodo S proporciona la estructura correcta ", dijo Kalra," minimizando la degradación de la capacidad durante el ciclo de la batería, que es uno de los principales obstáculos para la comercialización de las baterías Li-S ".
"Nuestra investigación muestra que la capacidad efectiva continua de estos electrodos es cuatro veces mayor que la de las baterías de iones de litio actuales. Nuestro novedoso método de bajo costo puede producir un cátodo de sulfuro en segundos, lo que elimina los principales obstáculos de fabricación".
Ya sea el desarrollo de computadoras portátiles, teléfonos móviles o automóviles eléctricos, depende de la mejora constante del rendimiento de la batería. La tecnología solo se puede impulsar cuando la batería lo permite, las baterías de iones de litio, que actualmente se consideran la mejor batería del mercado. Alcanzar los límites de la mejora. (Imagen de la web)
Desde el vuelo récord del avión Zephyr-6 con energía solar en 2008, muchas compañías han invertido en el desarrollo de baterías Li-S, con la esperanza de aumentar la vida útil de varios vehículos eléctricos, permitiendo que los dispositivos móviles duren más durante el intervalo de carga e incluso ayuden a toda la fuente de energía. La red se adapta a la naturaleza intermitente de la energía eólica y solar. El trabajo de Kalras ahora proporciona un camino de desarrollo para esta tecnología de batería que puede romper una serie de obstáculos.
El equipo continuará desarrollando su cátodo Li-S con el objetivo de mejorar aún más la vida del ciclo, reducir la formación de polisulfuro y reducir los costos.
