211service.com
Nanowire Advance para baterías de litio
La batería de iones de litio se ha convertido en la batería preferida de los vehículos eléctricos, lo que impulsa a los investigadores a mejorar el rendimiento, la longevidad y la confiabilidad de la tecnología. Un nuevo tipo de electrodo de nanocables desarrollado por el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Yi Cui en Stanford es un paso hacia ese objetivo.
Impulso de nanocables: Los nanocables de carbono recubiertos con silicio (parte inferior) producen un material que puede almacenar seis veces más carga que el grafito que se utiliza en los electrodos de las baterías de litio actuales. (Los nanocables de carbono desnudos se muestran en la parte superior).
Los nuevos electrodos, discutidos en la semana pasada Nano letras , puede almacenar seis veces más carga que los electrodos de grafito en las baterías de litio actuales, lo que significa que los autos eléctricos brindan más kilometraje por sesión de carga.
Cuando se carga una batería de litio, los iones de litio se mueven del electrodo positivo (cátodo) al ánodo negativo. El silicio es un material prometedor para los ánodos porque puede almacenar más de 10 veces más iones que el grafito con el mismo peso. Pero cuando el silicio absorbe carga, se hincha cuatro veces su volumen original y se agrieta después de algunos ciclos de carga.
Los nuevos nanocables aprovechan las propiedades del silicio y el grafito. Cui y sus colegas fabrican el material depositando silicio amorfo en nanocables de carbono. Los cables pueden almacenar una carga de aproximadamente 2000 miliamperios hora por gramo, mientras que los ánodos de grafito almacenan menos de 360 miliamperios hora por gramo. Mientras tanto, el núcleo de carbono los hace robustos. Los iones de litio también pueden absorberse en el carbono, dice Cui, pero la expansión de volumen del carbono es del 10 por ciento o menos, por lo que proporciona una columna vertebral estable. En las pruebas, los nanocables funcionaron bien durante más de 50 ciclos de carga.
Los investigadores habían fabricado previamente electrodos a partir de nanocables de silicio cristalino puro. Aquellos tenían el triple de capacidad de almacenamiento que los electrodos de grafito, pero solo duraron 20 ciclos.
Los nanocables de carbono-silicio también son más fáciles de fabricar. No requieren las altas temperaturas que se necesitan para hacer crecer los nanocables de solo silicio. La nanofibra de carbono ya está disponible comercialmente y puede producir toneladas, dice Cui. El proceso de recubrimiento podría hacerse mucho más rápido y es fácil para la fabricación a gran escala.
Para su uso en vehículos eléctricos comerciales, los electrodos de la batería de litio deben durar al menos 300 ciclos de carga. En este sentido, los nanocables podrían enfrentarse a una dura competencia. En diciembre de 2008, un equipo de la Universidad de Hanyang en Ansan, Corea del Sur, dio a conocer ánodos de silicio nanoporosos que duraban más de 100 ciclos de carga y podían almacenar más carga que los nanocables. Químico Jaephil Cho , quien dirigió el trabajo, dice que el material nanoporoso tiene más volumen de silicio por unidad que los nanocables, por lo que puede contener más carga por unidad de volumen. Sin embargo, dice, la [fabricación] de fibra de carbono es fácil de escalar y, por lo tanto, se cree que el método [de Cui] para fabricar nanocables de carbono-silicio es muy práctico.
Mientras tanto, General Motors y Applied Sciences están desarrollando ánodos de nanocables muy similares a los del equipo de Stanford. Las empresas recubren las nanofibras de carbono con partículas de silicio, a diferencia del silicio amorfo, lo que da como resultado ánodos que pueden almacenar cargas de 1.000 a 1.500 miliamperios hora por gramo. Gholam-Abbas Nazri, quien dirige el trabajo en el Centro de Investigación y Desarrollo de GM en Warren, MI, dice que la capacidad del ánodo se puede aumentar haciendo que la capa de silicio sea más gruesa, pero ahora es mejor estabilizar la capacidad en 1,000 miliamperios hora. por gramo. Los ánodos que almacenan más carga necesitan cátodos que puedan suministrar una carga más alta, dice Nazri, y por el momento, no hay cátodo [material] con suficiente capacidad para igualar el ánodo de carbono-silicio.
Cui confía en el éxito del silicio como material de ánodo para baterías de litio. En los próximos cinco años o menos, veremos una batería con ánodos de silicio, dice. Sin embargo, el costo será el factor decisivo. Al final, dice, todo depende de quien pueda idear un proceso de fabricación a gran escala y de bajo costo, producir el mejor rendimiento y lanzar productos.