Un equipo de científicos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) ha desarrollado un enfoque para la fabricación de ánodos que podría dar lugar a baterías de iones de litio (LIB) de carga extremadamente rápida .
En un artículo publicado en la revista Chemical Communications, los investigadores explican que su estrategia constituye una estrategia relativamente simple, manera ambientalmente racional y eficiente de producir un ánodo a base de carbono con un contenido de nitrógeno muy alto.
Ya se sabe que una forma de acortar el tiempo de carga de las LIB es aumentar la velocidad de difusión de los iones de litio, lo que a su vez se puede lograr aumentando la distancia entre capas. en los materiales a base de carbono utilizados en el ánodo de la batería. Esto se ha logrado con cierto éxito mediante la introducción de impurezas de nitrógeno, que técnicamente se conocen como dopaje con nitrógeno. Sin embargo, no existe un método fácilmente disponible para controlar la distancia entre capas o para concentrar el elemento dopante.
Para abordar este problema, el grupo japonés utilizó poli (benzimidazol), un polímero de base biológica que se puede sintetizar a partir de materias primas de origen biológico como material precursor del ánodo.
Al calcinar este material térmicamente estable a 768 °C, el equipo logró preparar un ánodo de carbono con un contenido de nitrógeno récord de 17% en peso. Verificaron la síntesis exitosa de este material y estudiaron su composición y propiedades estructurales utilizando una variedad de técnicas, que incluyen microscopía de túnel de electrones de barrido, espectroscopía Raman y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X.
Para probar el rendimiento de su ánodo y compararlo con el ánodo de grafito más común, los investigadores construyeron medias celdas y celdas completas y realizaron experimentos de carga y descarga. El material del ánodo propuesto demostró ser adecuado para la carga rápida, gracias a su cinética mejorada de iones de litio.
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Además, pruebas de durabilidad mostraron que las baterías con el material de ánodo propuesto retuvieron alrededor de 100% de su capacidad inicial incluso después de 3,000 ciclos de carga y descarga a velocidades altas, que es considerablemente mayor que la capacidad retenida por las celdas basadas en grafito.
En opinión de los investigadores, las modificaciones en la estructura del polímero precursor podrían conducir a un rendimiento aún mejor, lo que podría ser relevante no solo para las baterías de los vehículos eléctricos sino también para los dispositivos electrónicos portátiles.
“La tasa de carga extremadamente rápida con el material del ánodo que preparamos podría hacerlo adecuado para su uso en vehículos eléctricos”, dijo el líder del equipo, Noriyoshi Matsumi, en un comunicado de prensa. “Es de esperar que los tiempos de carga mucho más cortos atraigan a los consumidores a elegir vehículos eléctricos en lugar de vehículos a gasolina, lo que en última instancia conducirá a entornos más limpios en todas las ciudades importantes del mundo”.
Según Matsumi, otra ventaja notable del material de ánodo propuesto es el uso de un polímero de base biológica en su síntesis. Como tecnología baja en carbono, el material genera naturalmente un efecto sinérgico que reduce aún más las emisiones de CO2.
