En la búsqueda de baterías que brinden más energía y funcionen de manera más segura, los investigadores están trabajando para reemplazar los líquidos que se usan comúnmente en las baterías de iones de litio actuales por materiales sólidos. Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Brown y la Universidad de Maryland ha desarrollado un nuevo material para su uso en baterías de estado sólido que se deriva de una fuente poco probable: los árboles.
En una investigación publicada en la revista Nature , el equipo demuestra un conductor de iones sólidos que combina cobre con nanofibrillas de celulosa: tubos de polímero derivados de la madera. El material delgado como el papel tiene una conductividad de iones que es de 10 a 100 veces mejor que otros conductores de iones de polímero, dicen los investigadores. Se puede utilizar como electrolito de batería sólido o como aglutinante conductor de iones para el cátodo de una batería totalmente de estado sólido.
"Al incorporar cobre con nanofibrillas de celulosa unidimensionales, demostramos que la celulosa normalmente aislante de iones ofrece un transporte de iones de litio más rápido dentro de las cadenas de polímeros", dijo Liangbing Hu, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Maryland. . "De hecho, descubrimos que este conductor de iones alcanzó una conductividad iónica récord entre todos los electrolitos de polímeros sólidos".
El trabajo fue una colaboración entre el laboratorio de Hu y el laboratorio de Yue Qi, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown.
Las baterías de iones de litio de hoy, que se usan ampliamente en todo, desde teléfonos celulares hasta automóviles, tienen electrolitos hechos de sal de litio disuelta en un solvente orgánico líquido. El trabajo del electrolito es conducir iones de litio entre el cátodo y el ánodo de una batería. Los electrolitos líquidos funcionan bastante bien, pero tienen algunas desventajas. A altas corrientes, se pueden formar diminutos filamentos de metal de litio, llamados dendritas, en el electrolito y provocar cortocircuitos. Además, los electrolitos líquidos están hechos con productos químicos inflamables y tóxicos que pueden incendiarse.
Los electrolitos sólidos tienen el potencial de prevenir la penetración de dendrita y pueden estar hechos de materiales no inflamables. La mayoría de los electrolitos sólidos investigados hasta ahora son materiales cerámicos, que son excelentes para conducir iones, pero también son gruesos, rígidos y quebradizos. Las tensiones durante la fabricación, así como durante la carga y descarga pueden provocar grietas y roturas.
El material presentado en este estudio, sin embargo, es delgado y flexible, casi como una hoja de papel. Y su conductividad iónica está a la par con la cerámica.
Los investigadores de Brown realizaron simulaciones por computadora de la estructura microscópica del material de cobre y celulosa para comprender por qué es capaz de conducir tan bien los iones. El estudio de modelado reveló que el cobre aumenta el espacio entre las cadenas de polímero de celulosa, que normalmente existen en paquetes muy compactos. El espaciado expandido crea una cantidad considerable de autopistas de iones a través de las cuales los iones de litio pueden pasar relativamente sin obstáculos.
“Los iones de litio se mueven en este electrolito sólido orgánico a través de mecanismos que normalmente encontramos en las cerámicas inorgánicas, lo que permite una conductividad iónica récord”, dijo Qi. "El uso de materiales que proporciona la naturaleza reducirá el impacto general de la fabricación de baterías en nuestro medio ambiente".
Además de funcionar como un electrolito sólido, el nuevo material también puede actuar como aglutinante de cátodos para una batería de estado sólido. Para igualar la capacidad de los ánodos, los cátodos deben ser sustancialmente más gruesos. Sin embargo, ese grosor puede comprometer la conducción de iones, reduciendo la eficiencia. Para que los cátodos más gruesos funcionen, deben estar encerrados en un aglutinante conductor de iones. Usando su nuevo material como aglutinante, el equipo demostró lo que creen que es uno de los cátodos funcionales más gruesos jamás reportados.
Los investigadores tienen la esperanza de que el nuevo material pueda ser un paso para llevar la tecnología de baterías de estado sólido al mercado masivo.
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