El equipo de Rensselaer encuentra la solución al problema persistente que enfrentan las baterías de metal de potasio.
Desde teléfonos celulares hasta energía solar y automóviles eléctricos, la humanidad depende cada vez más de las baterías. A medida que la demanda de almacenamiento de energía seguro, eficiente y potente continúa aumentando, también lo hace la demanda de alternativas prometedoras a las baterías recargables de iones de litio, que han sido la tecnología dominante en este espacio.
En una investigación publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences , los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer demuestran cómo pueden superar un desafío persistente conocido como dendritas para crear una batería de metal que funciona casi tan bien como una batería de iones de litio, pero depende del potasio. – un elemento mucho más abundante y menos costoso.
Las baterías contienen dos electrodos: un cátodo en un extremo y un ánodo en el otro. Si tuviera que mirar dentro de una batería de iones de litio, normalmente encontraría un cátodo hecho de óxido de litio cobalto y un ánodo hecho de grafito. Durante la carga y descarga, los iones de litio fluyen de un lado a otro entre estos dos electrodos.
En esta configuración, si los investigadores simplemente reemplazaran el óxido de litio y cobalto con óxido de potasio y cobalto, el rendimiento disminuiría. El potasio es un elemento más grande y pesado y, por lo tanto, menos denso en energía. En cambio, el equipo de Rensselaer buscó aumentar el rendimiento del potasio al reemplazar también el ánodo de grafito con metal de potasio.
“En términos de rendimiento, esto podría rivalizar con una batería tradicional de iones de litio”, dijo Nikhil Koratkar, profesor de ingeniería mecánica, aeroespacial y nuclear en Rensselaer y autor principal de este artículo.
Si bien las baterías de metal han demostrado ser muy prometedoras, también han estado plagadas tradicionalmente por la acumulación de depósitos de metal, llamados dendritas, en el ánodo. Las dendritas se forman debido a la deposición no uniforme de potasio metálico a medida que la batería experimenta ciclos repetidos de carga y descarga. Con el tiempo, explicó Koratkar, los conglomerados de potasio metálico se vuelven largos y casi ramificados.
Si crecen demasiado, eventualmente perforarán el separador de membrana aislante para evitar que los electrodos se toquen entre sí y cortocircuiten la batería. El calor se crea cuando una batería se cortocircuita y tiene el potencial de incendiar el electrolito orgánico dentro del dispositivo.
En este documento, Koratkar y su equipo, que incluía a Prateek Hundekar, un estudiante de doctorado en Rensselaer, e investigadores de la Universidad de Maryland, incluido Chunsheng Wang, profesor de ingeniería química y biomolecular, explican cómo allanan su solución a ese problema. El camino para el uso práctico del consumidor. Al operar la batería a una velocidad de carga y descarga relativamente alta, pueden elevar la temperatura dentro de la batería de una manera bien controlada y alentar a las dendritas a que se auto-curen del ánodo.
Koratkar compara el proceso de autocuración con lo que le sucede a un montón de nieve después de que una tormenta ha terminado. El viento y el sol ayudan a mover los copos del montón de nieve, reduciendo su tamaño y finalmente aplastándolo.
De manera similar, si bien el aumento de la temperatura dentro de la batería no derretirá el metal de potasio, ayuda a activar la difusión de la superficie para que los átomos de potasio se muevan lateralmente del “montón” que han creado, suavizando efectivamente la dendrita.
“Con este enfoque, la idea es que por la noche o cuando no esté usando la batería, tendría un sistema de gestión de la batería que aplicaría este calor local que haría que las dendritas se autocuraran”, dijo Koratkar.
Koratkar y su equipo demostraron previamente un método similar de autocuración con baterías de litio metálico, pero descubrieron que la batería de potasio metal requería mucho menos calor para completar el proceso de autocuración. Ese hallazgo prometedor, dijo Koratkar, significa que una batería de metal de potasio podría ser más eficiente, segura y práctica.
“Quiero ver un cambio de paradigma hacia las baterías de metal”, dijo Koratkar. “Las baterías de metal son la forma más eficiente de construir una batería; sin embargo, debido a este problema de dendrita, no han sido factibles. Con el potasio, tengo más esperanzas”.
Noticia de: ScienceDaily / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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