Electrodos gruesos con nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) para sistemas de almacenamiento de energía escalables. Crédito: Zhengyu Ju y Guihua Yu
Los rellenos de carbón conductivo en las baterías de iones de litio permiten una salida de alta potencia con almacenamiento de energía reversible.
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. Investigación reportada en Reseñas de física aplicada, de AIP Publishing, tiene como objetivo ofrecer una solución mostrando 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 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), grafeno nanohojas y una sustancia conocida como Super P, un tipo de partículas de negro de humo producidas durante la oxidación de los 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 encontró que las partículas Super P y NCM estaban dispuestas en un modo de contacto de 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 SWCNT son el mejor relleno conductor para electrodos NCM.
“La conductividad medida es consistente con la teoría de la 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”, dijo Guihua Yu, uno de los autores.
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 de rayos X y Raman, para estudiar los compuestos resultantes.
“Este es un esfuerzo de colaboración del Centro de Propiedades de Transporte de Mesoescala, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía 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 ”, dijo Yu.
Referencia: “Revelando el efecto de dimensionalidad de los rellenos conductores en electrodos de batería gruesos para sistemas de almacenamiento de alta energía” por Zhengyu Ju, Xiao Zhang, Steven T. King, Calvin D. Quilty, Yue Zhu, Kenneth J. Takeuchi, Esther S. Takeuchi, David C. Bock, Lei Wang, Amy C. Marschilok y Guihua Yu, 10 de noviembre de 2020, Reseñas de física aplicada.
DOI: 10.1063 / 5.0024123