Investigadores de la Universidad de California en San Diego anunciaran este 18 de febrero que desarrollaron un dispositivo emisor de ultrasonidos que aproxima a las baterías de metal de litio (lithium metal batteries, LMB, por sus siglas en inglés) a la viabilidad comercial.
A través de un comunicado emitido en la página web de la Universidad de California – San Diego, los investigadores anunciaron el desarrollo de un dispositivo que mejora el tiempo de carga y el funcionamiento de las baterías de metal litio. Aunque la investigación se centró en el uso de LMB, agregan que el dispositivo se puede usar en cualquier batería, independientemente de la química.
El dispositivo que los investigadores desarrollaron es una parte integral de la batería y funciona emitiendo ondas de ultrasonido para crear una corriente circulante en el líquido electrolítico que se encuentra entre el ánodo y el cátodo. Esto evita la formación de crecimientos de metal de litio, llamados dendritas, durante la carga que conducen a una disminución del rendimiento y cortocircuitos en los LMB.
El dispositivo está hecho de componentes de teléfonos inteligentes, que generan ondas de sonido a frecuencias extremadamente altas, que van desde 100 millones hasta 10 mil millones de hercios. En los teléfonos, estos dispositivos se utilizan principalmente para filtrar la señal inalámbrica e identificar y filtrar llamadas de voz y datos. Los investigadores los usaron en su lugar para generar un flujo dentro del electrolito de la batería.
“Los avances en la tecnología de teléfonos inteligentes son realmente lo que nos permitió utilizar el ultrasonido para mejorar la tecnología de la batería”, dijo James Friend, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Jacobs en la Universidad de California en San Diego y autor correspondiente del estudio.
El dispositivo está hecho de componentes de teléfonos inteligentes, los cuales generan ondas de sonido a frecuencias extremadamente altas, que van desde 100 millones hasta 10 mil millones de hercios. En los teléfonos, estos dispositivos se utilizan principalmente para filtrar la señal celular inalámbrica e identificar y filtrar llamadas de voz y datos. Los investigadores los usaron en su lugar para generar un flujo dentro del electrolito de la batería.
Actualmente, los LMB no se han considerado una opción viable para la alimentación de energía de vehículos eléctricos hasta dispositivos electrónicos, porque su vida útil es demasiado corta. Pero, estas baterías también tienen el doble de capacidad que las mejores baterías actuales de iones de litio. Por ejemplo, los vehículos eléctricos que funcionan con metal de litio tendrían el doble de alcance que los vehículos que funcionan con iones de litio, por el mismo peso de la batería.
Los investigadores demostraron que una batería de metal litio equipada con el dispositivo podría cargarse y descargarse durante 250 ciclos y una batería de iones de litio durante más de 2000 ciclos. Las baterías se cargaron de cero a 100 por ciento en 10 minutos para cada ciclo.
“Este trabajo permite la carga rápida y baterías de alta energía, todo en uno”, dijo Ping Liu, profesor de nanoingeniería en la Escuela Jacobs y el otro autor principal del artículo. “Es emocionante y efectivo”.
El equipo detalla su trabajo en la edición en línea del 18 de febrero de la revista Advanced Materials: La mayoría de los esfuerzos de investigación de baterías se centran en encontrar la química perfecta para desarrollar baterías que duren más y se carguen más rápido, dijo Liu. Por el contrario, el equipo de UC San Diego buscó resolver un problema fundamental: el hecho de que en las baterías de metal tradicionales, el líquido electrolítico entre el cátodo y el ánodo es estático.
Como resultado, cuando la batería se carga, el ion de litio en el electrolito se agota, por lo que es más probable que el litio se deposite de manera desigual en el ánodo. Esto a su vez provoca el desarrollo de estructuras en forma de aguja llamadas dendritas que pueden crecer sin control desde el ánodo hacia el cátodo, provocando que la batería se cortocircuite e incluso se incendie. La carga rápida acelera este fenómeno.
Al propagar ondas de ultrasonido a través de la batería, el dispositivo hace que el electrolito fluya, reponiendo el litio en el electrolito y haciendo más probable que el litio forme depósitos densos y uniformes en el ánodo durante la carga.
La parte más difícil del proceso fue diseñar el dispositivo, dijo An Huang, el primer autor del artículo y un Ph.D. estudiante de ciencias de materiales en UC San Diego. El desafío era trabajar a escalas extremadamente pequeñas, comprender los fenómenos físicos involucrados y encontrar una forma efectiva de integrar el dispositivo dentro de la batería.
“Nuestro próximo paso será integrar esta tecnología en las baterías comerciales de iones de litio”, dijo Haodong Liu, coautor del artículo e investigador postdoctoral de nanoingeniería en la Escuela Jacobs.
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