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A medida que avanza la industria de los vehículos eléctricos (EV), también lo hace el esfuerzo de investigación y desarrollo de baterías superiores de iones de litio (Li) para alimentarlo. Investigar y expandir la tecnología de carga y descarga rápida y la duración prolongada de la batería son desafíos clave en su desarrollo.
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algunos factores como Características como la interfaz electrodo-electrolito, la difusión de iones de litio y la porosidad del electrodo pueden ayudar a superar estos problemas para lograr una carga rápida y una vida útil más prolongada.
En los últimos años, los nanomateriales bidimensionales (2D), estructuras similares a láminas delgadas de unos pocos nanómetros de espesor, han surgido como materiales de ánodo prometedores para las baterías de iones de litio. Estas nanoláminas tienen una alta densidad de sitios activos y una alta relación de aspecto, lo que facilita una carga rápida y un excelente rendimiento de ciclo.
En particular, los nanomateriales 2D fabricados en diboruros de metales de transición (TMD) han atraído la atención científica. Los TMD tienen una velocidad alta y una estabilidad de ciclo más larga para el almacenamiento de iones de litio debido a sus planos de panal compuestos de boro y átomos de metales de transición polivalentes.
Actualmente, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Noriyoshi Matsumi del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) y el profesor Kabeer Jasuja del Instituto Indio de Tecnología (IIT) Gandhinagar está trabajando para explorar el potencial de los TMD para el almacenamiento de energía.
El equipo llevó a cabo los primeros estudios experimentales sobre la capacidad de almacenamiento del diboruro de titanio (TiB2) basadas en nanoláminas jerárquicas (THNS) como material de ánodo para baterías de iones de litio. El equipo incluía a Rajashekar Badam, ex profesor titular de JAIST; Koichi Higashimine, Especialista Técnico de JAIST; Akash Varma, ex alumno del curso de maestría en JAIST; y Asha Liza James, Ph.D. Estudiante en IIT Gandhinagar.
Los detalles de su estudio fueron publicados en la revista Nanomateriales aplicados ACS y disponible en línea el 19 de septiembreel2022.
Los THNS se formaron por oxidación de TiB2 Polvo con peróxido de hidrógeno, seguido de centrifugación y liofilización de la solución.
Lo que diferencia nuestro trabajo es la escalabilidad del método desarrollado para sintetizar este TiB2 nanohojas. Para que cualquier nanomaterial se traduzca en una tecnología tangible, la escalabilidad es el factor limitante. Nuestro método de síntesis solo requiere agitación y ningún equipo complicado. Esto se debe al comportamiento de solución y recristalización de TiB.2un descubrimiento accidental que hace de este trabajo un prometedor puente del laboratorio al campo.
Profesor Kabeer Jasuja, autor principal del estudio, Instituto Indio de Tecnología (Gandhinagar)
A continuación, los investigadores construyeron una semicelda anódica de iones de litio utilizando THNS como material activo del ánodo y estudiaron las propiedades de almacenamiento de carga de los ánodos basados en THNS.
Los investigadores descubrieron que el ánodo basado en THNS tenía una alta capacidad de descarga de 380 mAh/g con una densidad de corriente de solo 0,025 A/g. Además, observaron que se podía conseguir una capacidad de descarga de 174 mAh/g para una alta densidad de corriente de 1 A/g, con una retención de capacidad del 89,7 % y un tiempo de carga de 10 minutos tras 1.000 ciclos.
Además, el ánodo de iones de litio basado en THNS podría soportar corrientes muy altas, del orden de 15 a 20 A/g, lo que permite una carga ultrarrápida en alrededor de 9 a 14 segundos. En el escenario de corriente alta, se observó una retención de capacidad superior al 80 % después de 10 000 ciclos.
Los resultados del estudio demuestran la idoneidad del TiB 2D2 Nanosheets como candidato para baterías de iones de litio de carga rápida y larga duración. También enfatizan la ventaja de los materiales a nanoescala a granel como TiB.2para lograr propiedades ventajosas que incluyen una excelente capacidad de alta velocidad, almacenamiento de carga pseudocapacitiva y excelente ciclabilidad.
Esta tecnología de carga rápida puede acelerar la difusión de los vehículos eléctricos y reducir en gran medida el tiempo de espera para cargar varios dispositivos electrónicos móviles. Esperamos que nuestros hallazgos puedan estimular una mayor investigación en este campo, lo que eventualmente puede conducir a una mayor comodidad para los usuarios de vehículos eléctricos, menos contaminación del aire en las ciudades y una vida móvil menos estresante para aumentar la productividad de nuestra sociedad.
Profesor Noriyoshi Matsumi, autor principal del estudio, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón
El equipo anticipa que esta extraordinaria tecnología pronto se utilizará en vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos.
referencia de la revista
Varma, A. y otros. (2022) Nanoláminas jerárquicas basadas en diboruro de titanio como material de ánodo para baterías de iones de litio. Nanomateriales aplicados ACS. doi.org/10.1021/acsanm.2c03054.
Fuente: http://www.jaist.ac.jp/english/
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