211service.com
Los nanotubos dan una sacudida a las baterías
Una batería de iones de litio con un electrodo positivo hecho de nanotubos de carbono entrega 10 veces más energía que una batería convencional y puede almacenar cinco veces más energía que un ultracondensador convencional. La tecnología de batería de nanotubos, desarrollada por investigadores del MIT y con licencia para una compañía de baterías no revelada, podría conducir a baterías que mejoren los vehículos híbridos de servicio pesado y permitan una recarga más rápida de dispositivos electrónicos, incluidos los teléfonos inteligentes.
Nano potencia: Los poros entre los nanotubos en esta imagen de microscopía electrónica de transmisión pueden almacenar iones de litio en una batería de alta potencia.
Los investigadores han estado tratando de fabricar electrodos para baterías de iones de litio a partir de nanotubos de carbono porque su gran superficie y alta conductividad prometen mejorar tanto la energía como la densidad de potencia en relación con las formas convencionales de carbono. Pero trabajar con el material ha demostrado ser un desafío: la mayoría de los métodos para ensamblar nanotubos de carbono requieren un agente aglutinante que reduce la conductividad del electrodo y conduce a la formación de grumos del material, reduciendo el área de la superficie. Los electrodos fabricados por el grupo MIT, sin embargo, tienen un área de superficie muy alta para almacenar y reaccionar con litio. Esta gran superficie es fundamental tanto para la alta capacidad de almacenamiento de los electrodos como para su alta potencia: debido a que el litio se almacena en la superficie, puede entrar y salir del electrodo rápidamente, lo que permite una carga y descarga más rápida de la batería. .
La clave del rendimiento de los electrodos MIT es un proceso de ensamblaje que crea películas de nanotubos de carbono densas, interconectadas pero porosas, sin necesidad de rellenos. El grupo, dirigido por el profesor de ingeniería química Paula Hammond y profesor de ingeniería mecánica Yang Shao-Horn , crea soluciones de agua de nanotubos de carbono tratados de modo que un grupo tenga carga positiva y el otro tenga carga negativa. Luego sumergen alternativamente un sustrato, como un portaobjetos de vidrio, en las dos soluciones, y los nanotubos, atraídos por las diferencias en su carga, se adhieren entre sí con mucha fuerza en capas delgadas y uniformes. Los investigadores habían demostrado previamente que cuando se calientan y se retiran del sustrato, estas películas densas pero porosas pueden almacenar mucha carga y liberarla rápidamente, actuando como un electrodo en un ultracondensador.
Ahora, el grupo del MIT ha adaptado estos métodos para fabricar electrodos de batería. Las baterías de iones de litio se cargan y descargan cuando los iones de litio se mueven de un electrodo a otro, impulsados por una corriente externa. Cuanto más litio total pueda almacenar la batería, mayor será su capacidad total de almacenamiento de energía. Cuanto más rápido puedan moverse los iones de un electrodo al otro, mayor será su poder. En el trabajo publicado esta semana en la revista Nanotecnología de la naturaleza , el grupo del MIT mostró que los iones de litio en un electrolito de batería reaccionan con grupos químicos que contienen oxígeno en la superficie de los nanotubos de carbono en la película. Debido a la enorme superficie y la estructura porosa de los electrodos de nanotubos, hay muchos lugares para que los iones reaccionen, y pueden entrar y salir rápidamente, lo que le da a la batería de nanotubos una gran capacidad de energía y potencia, dice Shao-Horn.
Este trabajo ha demostrado una vez más que el desarrollo de métodos para un control estructural cuidadoso a nanoescala conduce a mejoras importantes en el rendimiento de los materiales, dice Nicolás Kotov , profesor de ingeniería química en la Universidad de Michigan. Creo que es solo el comienzo de la gran mejora de las baterías de litio utilizando un enfoque de ingeniería de materiales.
El siguiente paso, dice Hammond, es acelerar las cosas. Usando el método de inmersión, el grupo puede hacer películas de nanotubos relativamente gruesas, pero lleva una semana. Si desea hacer una batería de automóvil, debe hacerla más gruesa y en áreas grandes, dice Hammond. En lugar de sumergir un sustrato en las dos soluciones de nanotubos, el grupo de Hammond ahora fabrica los electrodos en unas pocas horas rociando alternativamente nieblas diluidas de las dos soluciones de nanotubos. Una de las principales ventajas de este método de nebulización es que es compatible con procesos de impresión de gran superficie que prometen velocidad y compatibilidad con una amplia gama de sustratos. Por ejemplo, las baterías de nanotubos pueden imprimirse directamente en circuitos integrados.