Desde vehículos eléctricos hasta sistemas de ahorro de energía a gran escala (ESS), la demanda de baterías capaces de cargar y capaz de una alta densidad de energía está aumentando en varios sectores y un equipo de investigación conjunto del Instituto de Investigación de Energía de Corea (KIER) y ha creado una necesidad crítica para este requisito crítico.
El grafito, la batería de iones de litio (LIB), proporciona una fuerte estabilidad estructural, se limita a su menor capacidad teórica y su lenta tasa de carga/descarga. Para superar estas limitaciones, los investigadores han sugerido un diseño de electrodo elegante que combina carbono duro con estaño (SN).
El carbono duro es un material de carbono caótico con la abundancia de micropos y caminos para facilitar la rápida propagación de iones de litio y sodio. Esta estructura permite un alto ahorro de energía y vistas mecánicas, lo que lo hace ideal para aplicaciones de alta tasa y larga vida.
Sin embargo, la inclusión de TIN ha presentado otro desafío. Cuanto más bajas son las partículas de estaño, se reduce la expansión del volumen menos efectiva durante el ciclo, aumentando la estabilidad general. Desafortunadamente, el punto de fusión más bajo de la lata (∼230 ° C) hace que estas partículas sutiles sean difíciles de sintetizar. El equipo de investigación abordó el problema utilizando el proceso del alma, y luego disminuye el calor, incrustó con éxito las nano partículas de estaño sub -10 nm distribuidas uniformemente en la matriz de carbono dura.
Como resultado, la estructura compuesta demuestra combinaciones funcionales más allá de la mezcla física común. Las nano partículas de estaño no solo sirven como materiales activos, sino que también actúan como un catalizador que fomenta el cristal del carbono duro en los alrededores. Durante el ciclo químico electrónico, los enlaces SN-O contribuyen a aumentar la capacidad de la batería a través de reacciones invertidas.
Los ingenieros han demostrado un gran rendimiento en las células de iones de litio, manteniendo más de 1,500 ciclos en una condición de carga rápida de 20 minutos, al tiempo que ganan 1,5 veces una densidad de energía volumétrica más alta que el ánodo de grafito convencional. Este logro representa una integración exitosa de la vida en un electrodo, alta energía y ciclos largos.
Significativamente, el electrodo también muestra un rendimiento sobresaliente en las baterías de iones de sodio (SIB). Los iones de sodio generalmente muestran una reactividad débil con materiales de ánodo convencionales como grafito o silicio. Sin embargo, la estructura nano-compuesta dura de nano-compuesta encubria su versatilidad en la plataforma de baterías múltiples y mantiene una gran estabilidad y una dinámica rápida en el entorno de sodio.
“Esta investigación en el desarrollo de la próxima generación de baterías de alto rendimiento presenta un nuevo hito en el desarrollo de la próxima generación, y promete aplicaciones en vehículos eléctricos, sistemas híbridos y ESS a escala de red”, dijo Suzin Park. El Dr. Guzin de Kier agregó la canción, “Además de la compatibilidad con los sistemas de iones de sodio, la percepción de un ánodo con alta resistencia, estabilidad y densidad de energía identifica un punto de inflexión en el mercado de baterías recargables”.
Este trabajo fue dirigido por el profesor Suzin Park, el Dr. Sangho Choi y el Dr. Dong-Yob Han en colaboración con el Dr. Guzin Songs de Kier. Los resultados se publicaron recientemente en la revista AC nano Y fue apoyado por el financiamiento del Ministerio de Comercio, Industria y Energía y el Ministerio de Ciencia y TIC en Corea.