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Una nueva investigación amplía el uso de silicio en las baterías

Una nueva investigación amplía el uso de silicio en las baterías

Las baterías de iones de litio actuales son bastante eficientes debido a las mejoras realizadas por los investigadores que reemplazaron el ánodo de grafito de la batería por uno hecho de silicio. Ahora, un nuevo trabajo de la Universidad de Drexel y el Trinity College en Irlanda busca aumentar aún más esa eficiencia fortaleciendo los ánodos de silicio con un material llamado MXene.

"Se proyecta que los ánodos de silicio reemplazarán los ánodos de grafito en las baterías de iones de litio con un gran impacto en la cantidad de energía almacenada", dijo Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University y Bach Professor en Drexel's College of Engineering y director de A.J. Instituto de Nanomateriales Drexel en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, que fue coautor de la investigación.

"Hemos descubierto que agregar materiales MXene a los ánodos de silicio puede estabilizarlos lo suficiente como para ser utilizados en baterías".

Las baterías funcionan reteniendo cargas en los electrodos, el cátodo y el ánodo. Estas cargas se envían a nuestros dispositivos a medida que los iones viajan de ánodo a cátodo y cuando los iones regresan al ánodo, la batería se recarga.

Los ánodos de silicio pueden aceptar hasta cuatro iones de litio, mientras que en los ánodos de grafito, seis átomos de carbono contienen solo un litio. Reemplazar el grafito con silicio como material principal en el ánodo de iones de litio mejoraría su eficiencia, pero hay un problema. El silicio se expande a medida que se carga hasta el punto de romperse.

Una solución MXene

Para evitar este problema, los investigadores desarrollaron un método novedoso para mezclar polvo de silicio en una solución de MXene. El resultado es un ánodo híbrido de silicio-MXene.

"Los MXenes son la clave para ayudar al silicio a alcanzar su potencial en las baterías", dijo Gogotsi.

"Debido a que los MXenes son materiales bidimensionales, hay más espacio para los iones en el ánodo y pueden moverse más rápidamente hacia él, mejorando así tanto la capacidad como la conductividad del electrodo. También tienen una excelente resistencia mecánica, por lo que el silicio Los ánodos MXene también son bastante duraderos hasta un espesor de 450 micrones ".

Los MXenes consisten en un material cerámico estratificado químicamente grabado llamado fase MAX. Los investigadores han producido más de 30 tipos de MXene hasta la fecha.

El equipo de investigadores utilizó dos de ellos para fabricar los ánodos de silicio-MXene y descubrió que todas las muestras de ánodo mostraban una mayor capacidad de iones de litio que los ánodos convencionales de grafito o silicio-carbono. Informaron una conductividad más alta de hasta 100 a 1,000 veces más eficiente.

"La red continua de nanoláminas MXene no solo proporciona suficiente conductividad eléctrica y espacio libre para adaptarse al cambio de volumen, sino que también resuelve bien la inestabilidad mecánica del Si", escriben.

"Por lo tanto, la combinación de tinta viscosa MXene y Si de alta capacidad demostrada aquí ofrece una técnica poderosa para construir nanoestructuras avanzadas con un rendimiento excepcional".

Los investigadores también señalan que la ingeniería de los ánodos MXene se presta fácilmente a la producción en masa. El estudio se publica enComunicaciones de la naturaleza.


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