Inspirado en la estructura de madera, los ingenieros de la Universidad de Maryland han utilizado madera modificada como una arquitectura única para el electrodo negativo de una batería de metal de litio (Li), tratando de evitar algunos de los factores claves que conducen a la falla de la batería.
El transporte de iones de litio en baterías recargables proporciona energía para el teléfono, computador portátil o incluso una bombilla. Cuando la batería está cargada, el electrodo negativo: metal Li se expande; y cuando se efectúe el vertido, el metal Li se desinfla. Este rápido cambio de tamaño conduce a indeseables crecimientos como rama de Li en la superficie del metal Li. Este daño se acumula con el tiempo y pueden plantear riesgos de seguridad como sobrecalentamiento o fuego.
Un diseño nuevo para un batería Li segura creada por la estudiante de doctorado de MSE, Ying Zhang, puede aumentar la densidad de energía de una batería, de tal modo que aumenta la energía disponible para electrónicos portátiles y vehículos eléctricos, reduciendo el riesgo de sobrecalentamiento de la batería.
En este nuevo tipo de batería, en lugar de almacenar iones de Li en un bloque de metal, este equipo de ingenieros almacena metal Li en los canales naturales de la madera, canales que una vez fueron utilizados para transportar agua y nutrientes.
La madera actúa como un "hotel" para proporcionar un montón de habitaciones (canales) para dar cabida a muchos huéspedes (metal Li). A medida que los «huéspedes» del metal Li entran en este hotel de madera, pueden acoger a todos, almacenarlos cómodamente y con seguridad en cada habitación manteniendo la estructura exterior rígida de madera. El número de Li metal (personas) puede aumentar y disminuir dentro de cada habitación, pero la estructura general no se dañarán o colapsarán.
La batería hecha de esta manera puede operar con seguridad incluso con índices rápidos de carga y descarga. La densidad de corriente de una batería es una métrica que ingenieros utilizan para describir cómo rápidamente el metal Li se deposita en la superficie; una alta densidad de corriente es equivalente a tener un excesivo flujo de huéspedes en y fuera del "hotel" de madera, que puede causar problemas cuando se presentan en la puerta.
Estas capas de estilo pueden evitarse simplemente aumentando el número de puertas disponibles para los iones de Li al entrar en el "hotel" de madera, que es el enfoque utilizado en esta investigación. Aunque el número total de "huéspedes" Li metálico entrando a la vez sigue siendo el mismo, sólo un pequeño número de "huéspedes" está pasando a través de cualquier puerta en un momento dado, conocido como la densidad de corriente local. Mediante el uso de la gran superficie proporcionada por los muros de cada canal en la madera de acogida, puede minimizarse la densidad de corriente local, facilitar la circulación controlada de metal Li.
Las baterías que utilizan la lámina metálica de Li a granel, que es la alternativa convencional, son como un hotel inestable con sólo una puerta para que los clientes entren y salgan. Cuando la batería se pone a prueba bajo condiciones de alta densidad de corriente, su única puerta no puede manejar el gran flujo de personas, por lo que puede ser fácilmente agrietada, que es de los principales peligros dentro de la batería.
Por otro lado, el diseño del "hotel" de madera, con sus muchos canales rectos, proporciona el montón de puertas para los huéspedes por lo que el metal de Li puede ser acorralado en canales individuales, comportándose de una manera ordenada y previsible incluso bajo alta densidad de corriente (3 mA/cm2) y evita estructuras de rama de Li que puede causar falla de la batería. Algo que tuvo su comienzo como madera natural por lo tanto ayuda a los ingenieros a construir baterías más fuertes, más estables para el futuro.
"Esto es parte de nuestra investigación en curso utilizar materiales naturales para mejorar las baterías", dijo el líder del grupo Liangbing Hu, un profesor asociado en el Departamento de ciencia de materiales e ingeniería y miembro de centro de investigación de la Universidad de la energía (UMERC). "Usando bio-estructura de la naturaleza, podemos encontrar inspiración para crear nuevas formas de almacenar energía, y podemos utilizar materiales renovables".
Esta investigación fue publicada en el Proceedings of the National Academy of Sciences el 20 de marzo de 2017, en un documento titulado,"alta capacidad, baja tortuosidad y ánodo de metal de litio guiado por canal (High Capacity, Low Tortuosity and Channel-Guided Lithium Metal Anode, por su traducción en inglés)."
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