El equipo está desarrollando una batería de sodio estable, eficiente y sin ánodo.

Cuando se trata de baterías recargables, las baterías de iones de litio son las mejores en cuanto a densidad de energía y conveniencia.

Por ahora.

El laboratorio Peng Bai de la Universidad de Washington en St. Louis, profesor asistente en el Departamento de Energía, Ingeniería Ambiental y Química de la Escuela de Ingeniería McKelvey, ha desarrollado un ion de sodio estable batería que es muy eficiente, será más económico de producir y mucho más pequeño que el tradicional iluminado batería de iones debido a la eliminación de una función que antes era esencial.

“Encontramos que el mínimo es el máximo”, dijo Bai. “Ningún ánodo es el mejor ánodo”.

El estudio fue publicado el 3 de mayo de 2021 en la revista Ciencia avanzada.

Una batería de iones de litio tradicional consta de un cátodo y un ánodo que almacenan los iones de litio; separador para separar los electrodos en ambos lados; y electrolito: un líquido a través del cual se mueven los iones. Cuando el litio fluye del ánodo al cátodo, electrones libres salir por el colector de corriente al dispositivo alimentado, mientras que el litio pasa del separador al cátodo.

Para cargar, el proceso se invierte y el litio pasa del cátodo a través del separador al ánodo.

El concepto de reemplazar el litio por sodio y eliminar el ánodo no es nuevo.

“Usamos química antigua”, dijo Bai. “Pero el problema era que con esta química tan conocida, nadie había demostrado que esta batería sin ánodo pudiera tener una vida útil razonable. Siempre se descomponen muy rápido, tienen muy poca capacidad o requieren un procesamiento especial del colector de corriente ”.

Las baterías sin ánodo suelen ser inestables, lo que provoca la acumulación de dendritas, crecimientos en forma de dedos que pueden provocar un cortocircuito o simplemente degradar rápidamente la batería. Esto suele atribuirse a la reactividad de los metales alcalinos que contiene, en este caso sodio.

En esta batería de nuevo diseño, solo se utiliza una fina capa de lámina de cobre en el lado del ánodo como colector de corriente, es decir, la batería no tiene material de ánodo activo. En lugar de fluir hacia el ánodo, donde se sientan hasta que regresan al cátodo, la batería sin ánodo convierte los iones en metal. Primero se superponen con la lámina de cobre y luego se disuelven cuando llega el momento de volver al cátodo.

“No hay dendritas o estructuras en forma de dedos en nuestro descubrimiento”, dijo Bingyuan Ma, primer autor del artículo y estudiante de doctorado en el laboratorio de Bai. El depósito es liso con un brillo metálico. “Este tipo de crecimiento nunca se ha visto con este tipo de metal alcalino”.

“Observar” es clave. Bai ha desarrollado una celda capilar transparente única que ofrece una nueva forma de ver las baterías. Tradicionalmente, cuando una batería se estropea, un investigador puede abrirla y ver qué salió mal. Pero este tipo de observación posterior a los hechos tiene una utilidad limitada.

“Todas las inestabilidades de la batería se acumulan durante el proceso de trabajo”, dijo Bai. “Lo que realmente importa es la inestabilidad durante un proceso dinámico, y no hay forma de caracterizarlo”. Al observar el capilar Ma sin ánodo, “vimos claramente que si no se tiene un buen control de calidad del electrolito, se verán varias inestabilidades”, incluida la formación de dendrita, dijo Bai.

Básicamente, se reduce a la cantidad de agua en el electrolito.

Los metales alcalinos reaccionan con el agua, por lo que el equipo de investigación redujo el contenido de agua. “Solo esperábamos una buena actuación”, dijo Bai. Al observar la batería en acción, los científicos pronto notaron depósitos de sodio suaves y brillantes. Es la suavidad del material lo que elimina las irregularidades morfológicas que pueden conducir al crecimiento de dendritas.

“Regresamos para revisar los capilares y nos dimos cuenta de que el proceso de secado de electrolitos tomó más tiempo”, dijo Bai. Todo el mundo habla del contenido de agua de las baterías, pero en estudios anteriores la cantidad de agua a menudo se redujo a las estadísticas habituales que debían registrarse.

Bai y Ma se dieron cuenta de que en realidad era la clave.

“El contenido de agua debe ser inferior a 10 partes por millón”, dijo Bai. Al darse cuenta de esto, Ma pudo construir no solo una celda capilar, sino una batería funcional con un rendimiento similar al estándar. iones de litio batería, pero ocupa mucho menos espacio debido a la falta de un ánodo.

“Revisa tu teléfono celular. Tu coche eléctrico. Una cuarta parte del costo de estos artículos proviene de las baterías ”, dijo Bai. Las baterías de sodio utilizan un metal más común que las baterías de litio; ellos tienen lo mismo Densidad de energia como baterías de litio; y son más pequeñas y económicas que las baterías de litio, gracias a la eliminación ánodo.

“Hemos demostrado que puede usar la configuración más simple para obtener la mejor batería”, dijo Bai.