Mejora de las baterías de iones de litio de alta energía con relleno de carbono

Las baterías de iones de litio son la principal fuente de energía recargable para muchos dispositivos portátiles, así como para vehículos eléctricos, pero su uso es limitado, ya que no proporcionan una alta potencia de salida y, al mismo tiempo, permiten el almacenamiento de energía reversible. La investigación publicada en Applied Physics Reviews tiene como objetivo ofrecer una solución al mostrar cómo la inclusión de rellenos conductores mejora el rendimiento de la batería.

El diseño óptimo de la batería implica estructuras de electrodos gruesas. Esto mejora la densidad de energía, pero el diseño adolece de un transporte deficiente de iones de litio, un paso clave en el funcionamiento de estos electrodos. Se han probado varias técnicas de mejora, incluida la construcción de canales alineados verticalmente o la creación de poros del tamaño adecuado para facilitar el transporte de los iones de litio.

Otro enfoque para conseguir una mayor eficiencia de las baterías de iones de litio implica el uso de rellenos hechos de carbono que conducen la electricidad. Este estudio consideró tres tipos de rellenos: nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), nanotubos de grafeno y una sustancia conocida como Super P, un tipo de partículas de negro de humo (carbón elemental) producidas durante la oxidación de precursores del petróleo. Super P es el relleno conductor más utilizado en baterías de iones de litio.

Los rellenos se agregaron a un tipo de material de electrodo conocido como NCM que contiene níquel, cobalto y manganeso. Los investigadores examinaron los compuestos resultantes con microscopía electrónica de barrido. Se descubrió que las partículas Super P y NCM estaban dispuestas en un modo de contacto punto a punto.

Sin embargo, los SWCNT se envolvieron alrededor de las partículas de NCM, formando una capa conductora. Además, se observaron redes de SWCNT interconectados en los espacios entre partículas NCM. Las nanohojas de grafeno también se envolvieron alrededor de las partículas del electrodo NCM, pero no tan uniformemente como los SWCNT.

Se descubrió que los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) son el mejor relleno conductor para electrodos NCM en baterías de iones de litio

«La conductividad medida es consistente con la teoría de percolación … Cuando se agrega un relleno eléctricamente conductor a una matriz aislante, se producirán aumentos significativos en la conductividad una vez que se forme la primera vía conductora a través del compuesto«, comenta Guihua Yu, uno de los autores del estudio.

Dado que la percolación requiere una ruta completa a través del relleno, se necesita una cantidad suficiente de relleno conductor. Por lo tanto, los investigadores consideraron varias cantidades de relleno y encontraron que la combinación de electrodos NCM con tan solo 0,16% en peso de SWCNT producía una buena conductividad eléctrica. Se requirieron mayores cantidades de Super P y grafeno para lograr estos mismos resultados.

Los investigadores utilizaron varias técnicas espectroscópicas, incluida la espectroscopia de absorción Raman y de rayos X, para estudiar los compuestos resultantes.

«Este es un esfuerzo de colaboración del Center for Mesocale Transport Properties, un centro Energy Frontier Research, apoyado por el programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE.UU. Nuestros hallazgos sugieren que la integración de SWCNT en el electrodo NCM facilita la transferencia de iones y cargas. Esto conducirá a una mayor utilización electroquímica, especialmente a altas tasas de descarga «, concluye Yu.

Fuente: Applied Physics Reviews.