Las nanofibras podrían dar a los electrodos en las baterías el impulso que necesitan

Por Amelia OS

(Última Actualización: marzo 10, 2018)

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Publicado a las 3:25 PM CST en Sep 30,2017 | Actualizado a las 3:25 PM CST en Sep 30,2017 |


En los estudios del desarrollo de los nanomateriales, es difícil pensar en un enfoque diferente en la investigación al que se ha dedicado más esfuerzo que en la creación de una alternativa al «carbón activado» para los electrodos en dispositivos de almacenaje de energía.

El grafeno ha estado luchando durante años con el objetivo de producir electrodos para supercapacitores que darán a estos dispositivos de almacenamiento algo parecido a las capacidades de almacenamiento de energía de baterías de iones de litio (Li-ion). Y hemos visto los esfuerzos de los investigadores que intentan utilizar el silicio nanoestructurado para hacer que las baterías de iones de litio se adapten mejor a la nueva generación de los vehículos eléctricos. A pesar de todo este esfuerzo, el carbón activado aún no ha cedido su posición como el material de elección.

Actualmente, los investigadores de la Universidad de Drexel y la Universidad de Temple han asumido el reto de reemplazar el carbón activado. Pero decidieron que, en lugar de prescindir de este, utilizarían nanomateriales para mejorarla.

En la investigación descrita en la revista ACS Applied Materials, los investigadores utilizaron nanofibras de carbono electrohiladas y un gel en lugar de una solución electrolítica para crear un electrodo seguro de estado sólido para los supercondensadores. El resultado final es un supercondensador con una densidad de energía relativamente alta y costes de fabricación reducidos.

Mientras que la densidad de energía medida de los electrodos recientemente desarrollados de 65 vatios-hora por kilogramo se compara favorablemente con los 45 Wh/kg reportados en la documentación, esto puede no representar uno de los avances clave de la tecnología. En su lugar, las nanofibras eliminan uno de los principales problemas de los electrodos de carbón activado: los ligantes utilizados para fabricarlos.

El carbón activo tradicional se sintetiza en forma de polvo. Para hacer un electrodo con este polvo, se mezcla con agentes aglutinantes y un solvente (que no es respetuoso con el medio ambiente) para hacer lodo que se endurece en la forma necesaria para un dispositivo en particular.

Estos aglutinantes (10 a 15 por ciento de la masa del electrodo) no sólo añaden peso muerto al dispositivo, sino que también deterioran el rendimiento porque actúan como aislantes en lugar de conductores. Además, el procesamiento de lodo es un proceso complejo y costoso, que representa hasta el 20 por ciento del costo de fabricación del electrodo.

Pero al dejar los aglutinantes fuera de su receta de electrodos, los investigadores evitaron estos problemas. Nuestros electrodos se sintetizan directamente como una estera no tejida independiente de nanofibras que elimina la necesidad de aglutinantes o procesamiento de lodo «, dijo Vibha Kalra, profesora asociada de Drexel y coautora del artículo, en una entrevista por correo electrónico con IEEE Spectrum.

«Están listos para el dispositivo y se incorporan directamente al supercondensador.»

 

La eliminación de los aglutinantes también proporcionó una estructura de macroporos mucho más abierta debido a una separación bien definida entre fibras en 3D, lo que permitió una fácil infusión del precursor de electrolito sólido, según Kalra.

Como un poco de fondo, los supercondensadores (y baterías) comerciales actuales emplean un electrolito orgánico líquido, un medio esencial para el transporte de iones entre los electrodos negativos y positivos del dispositivo. Estos líquidos son inflamables y pueden ser potencialmente peligrosos si el dispositivo es abusado o no se usa dentro de las ventanas de temperatura y voltaje recomendadas. Un ejemplo bien conocido es la combustión espontánea de las baterías de los teléfonos inteligentes Samsung Galaxy Note 7.

Aunque los dispositivos de estado sólido son atractivos, vienen con problemas de transporte de iones entre los dos electrodos, según Kalra. El transporte de iones en un medio sólido puede ser órdenes de magnitud más lenta que en un medio líquido, resultando en una reducción significativa del rendimiento.

Hemos superado esto mediante la inmovilización de sales iónicas fundidas en una red de polímeros benignos (sólidos) que permite propiedades de transporte de iones[comparables a las de los electrolitos líquidos]», dijo Kalra.

Los supercondensadores de estado sólido son frecuentemente flexibles, pero Kalra admite que los dispositivos desarrollados por el equipo de Drexel no son totalmente flexibles. Este trabajo está actualmente en curso y es el siguiente paso en nuestra investigación «, agrega Kalra. «A partir de ahora, la ventaja clave de este dispositivo de estado sólido es la eliminación de componentes inflamables.»

Mientras continúa el trabajo para desarrollar la flexibilidad del dispositivo, el proceso de fabricación utilizado para fabricar los dispositivos ya ha demostrado ser escalable y se ha adoptado comercialmente para la fabricación a gran escala de materiales a base de nanofibras en filtros.

En la investigación continua, Kalra y sus colegas están buscando la electrónica de desgaste basada en su nuevo material y técnica de fabricación.

Kalra añade:»El formato de nanofibra no tejida de los electrodos desarrollados los convierte en excelentes candidatos para telas inteligentes. Para aprovechar esta oportunidad, necesitaremos mejorar la flexibilidad de estas redes de electrodos-electrolitos desarrolladas «.

Via : IEEE SPECTRUM

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