S'utilitzarà un nou tipus d'ànode basat en plom a la propera generació de bateries de liti

Les bateries d'ions de liti proporcionen energia per a tots els dispositius, des de telèfons intel·ligents fins a ordinadors portàtils i vehicles elèctrics. Científics de tot el món han estat buscant components nous i millorats per fabricar millors bateries per a aquestes i altres aplicacions.

Científics del Laboratori Nacional d'Argonne del Departament d'Energia dels Estats Units (DOE) han informat d'un nou elèctrode dissenyat per a bateries d'ions de liti que utilitzen materials de baix cost com el plom i el carboni. Els col·laboradors d'aquest important descobriment també inclouen científics de la Northwestern University, el Brookhaven National Laboratory i l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).

Eungje Lee, autor principal i científic de materials de Ciència i Enginyeria Química (CSE) a la Universitat d'Argonne, va declarar: "La nostra investigació té implicacions interessants per dissenyar bateries d'ions de liti de baix cost, d'alt rendiment i sostenibles que poden proporcionar energia per a híbrids. i tots els vehicles elèctrics".

El principi de funcionament de les bateries d'ions de liti és inserir ions de liti a l'ànode durant la càrrega i treure'ls durant la descàrrega. L'ànode de grafit actual pot patir milers d'aquests cicles de descàrrega de càrrega, però sembla que ha arribat al seu límit en termes de capacitat d'emmagatzematge d'energia.

Lee va dir: "Hem decidit estudiar el plom com a substitut del grafit com a material d'ànode. El plom és especialment atractiu perquè és barat i barat. A més, a causa de la llarga història de bateries de plom-àcid que proporcionen energia auxiliar per als cotxes. , té una cadena de subministrament completa i és un dels materials més reciclats del món. Als Estats Units, la taxa actual de recuperació del plom és del 99%.

Li va afegir: "El nostre nou ànode pot proporcionar una nova font d'ingressos per a la gran indústria que actualment es dedica a la fabricació i el reciclatge de bateries de plom-àcid".

L'ànode de l'equip no és una placa de plom normal, sinó innombrables partícules microscòpiques amb estructures complexes: nanopartícules de plom incrustades en una matriu de carboni i envoltades per una fina capa d'òxid de plom. Tot i que aquesta estructura sembla complexa, l'equip ha inventat un mètode de fabricació senzill i de baix cost.

"El nostre mètode consisteix a barrejar partícules grans d'òxid de plom amb pols de carboni i oscil·lar durant diverses hores fins que es formen partícules microscòpiques amb l'estructura de nucli desitjada", va explicar Christopher Johnson, investigador principal del projecte i investigador destacat a Argonne, CSE.

Les proves realitzades en bateries de laboratori amb més de 100 cicles de descàrrega de càrrega han demostrat que la capacitat d'emmagatzematge d'energia del nou ànode nanocompost basat en plom és el doble de la de l'ànode de grafit actual (estandarditzat per al mateix pes). És possible un rendiment estable durant el procés de ciclisme, ja que les mides de partícules petites poden alleujar l'estrès, mentre que la matriu de carboni proporciona la conductivitat necessària i actua com a amortidor per evitar danys a l'expansió del volum durant el procés de ciclisme. L'equip d'investigació també va trobar que afegir una petita quantitat de carbonat de fluoroetil a l'electròlit estàndard millora significativament el rendiment.

Els investigadors van estudiar els mecanismes de càrrega i descàrrega de l'ànode al GeoSoilEnviro Advanced Radiation Source Center (GSECARS) operat per la Universitat de Chicago, ubicat a Argona, l'Oficina d'Usuaris Científics del DOE. Mitjançant la difracció de raigs X de sincrotró, són capaços de fer un seguiment de la transició de fase dels materials d'elèctrodes negatius durant la càrrega i la descàrrega. Aquests resultats de caracterització, combinats amb els resultats recollits pel Centre de caracterització atòmica i nanoescala de la Northwestern University i el DOE User Facility National Synchrotron Light Source II a Brookhaven, revelen les reaccions electroquímiques que es produeixen entre els ions de plom i liti durant la càrrega i descàrrega, que van ser desconegut anteriorment.

Lee va dir: "Aquesta visió fonamental pot ser important per entendre el mecanisme de reacció entre els ànodes de plom i silici".

L'ànode de silici és una altra opció de baix cost i d'alt rendiment per a la propera generació de bateries d'ió de liti.

Johnson va dir: "El nostre descobriment desafia la comprensió actual d'aquest material d'elèctrode". El nostre descobriment també ofereix implicacions interessants per dissenyar materials d'ànode de baix cost i d'alt rendiment per al transport i l'emmagatzematge d'energia fixa, com ara fonts d'energia de reserva per a la xarxa elèctrica. "

El document de l'equip es va publicar a Advanced Functional Materials publicat recentment.