Engineer improves rechargeable batteries with nano 'sandwich'

Gurpreet Singh, assistant professor of mechanical and nuclear engineering, and his research team are improving rechargeable lithium-ion batteries. The team has focused on the lithium cycling of molybdenum disulfide, or MoS2, sheets, which Singh describes as a "sandwich" of one molybdenum atom between two sulfur atoms.

In the latest research, the team has found that silicon carbonitride-wrapped molybdenum disulfide sheets show improved stability as a battery electrode with little capacity fading.

The findings appear in Nature's Scientific Reports in the article "Polymer-Derived Ceramic Functionalized MoS2 Composite Paper as a Stable Lithium-Ion Battery Electrode." Other Kansas State University researchers involved include Lamuel David, doctoral student in mechanical engineering, India; Uriel Barrera, senior in mechanical engineering, Olathe; and Romil Bhandavat, 2013 doctoral graduate in mechanical engineering.

In this latest publication, Singh's team observed that molybdenum disulfide sheets store more than twice as much lithium -- or charge -- than bulk molybdenum disulfide reported in previous studies. The researchers also found that the high lithium capacity of these sheets does not last long and drops after five charging cycles.

"This kind of behavior is similar to a lithium-sulfur type of battery, which uses sulfur as one of its electrodes," Singh said. "Sulfur is notoriously famous for forming intermediate polysulfides that dissolve in the organic electrolyte of the battery, which leads to capacity fading. We believe that the capacity drop observed in molybdenum disulfide sheets is also due to loss of sulfur into the electrolyte."

To reduce the dissolution of sulfur-based products into the electrolyte, the researchers wrapped the molybdenum disulfide sheets with a few layers of a ceramic called silicon carbonitride, or SiCN. The ceramic is a high-temperature, glassy material prepared by heating liquid silicon-based polymers and has much higher chemical resistance toward the liquid electrolyte, Singh said.

"The silicon carbonitride-wrapped molybdenum disulfide sheets show stable cycling of lithium-ions irrespective of whether the battery electrode is on copper foil-traditional method or as a self-supporting flexible paper as in bendable batteries," Singh said.

After the reactions, the research team also dissembled and observed the cells under the electron microscope, which provided evidence that the silicon carbonitride protected against mechanical and chemical degradation with liquid organic electrolyte.

Singh and his team now want to better understand how the molybdenum disulfide cells might behave in an everyday electronic device -- such as a cellphone -- that is recharged hundreds of times. The researchers will continue to test the molybdenum disulfide cells during recharging cycles to have more data to analyze and to better understand how to improve rechargeable batteries.

Other research by Singh's team may help improve high temperature coatings for aerospace and defense. The engineers are developing a coating material to protect electrode materials against harsh conditions, such as turbine blades and metals subjected to intense heat.

The research appears in the Journal of Physical Chemistry. The researchers showed that when silicon carbonitride and boron nitride nanosheets are combined, they have high temperature stability and improved electrical conductivity. Additionally, these silicon carbonitride/boron nitride nanosheets are better battery electrodes, Singh said.

"This was quite surprising because both silicon carbonitride and boron nitride are insulators and have little reversible capacity for lithium-ions," Singh said. "Further analysis showed that the electrical conductivity improved because of the formation of a percolation network of carbon atoms known as 'free carbon' that is present in the silicon carbonitride ceramic phase. This occurs only when boron nitride sheets are added to silicon carbonitride precursor in its liquid polymeric phase before curing is achieved."

La industria se ha interesado bastante en la creación de nuevas baterías. Es importante resaltar que dependerá del uso que se le quiera dar a la batería, para saber que material se puede utilizar y, así poder trabajar en ella. 

Además, en este artículo nos hablan de cómo una investigación anterior puede ayudar a nuevas investigaciones, por lo que, es relevante estar informado sobre las investigaciones que la comunidad científica realiza o ha realizado.

Fuentes: http://www.nature.com/srep/2015/150403/srep09792/full/srep09792.html

http://www.sciencedaily.com/releases/2015/04/150417085033.htm

Luis Mauricio Ortiz Gálvez.

Batería de litio con nanocarbono y silicio

Según Bolufer, Pascual, en la página interempresas.net, nos habla sobre la nueva batería de litio:

La nueva batería de nanocarbono y nanosilicio fue presentada en el International Forum on Graphene del pasado 8 de junio, el cual estuvo presidido por Andre Geim, de la Universidad de Manchester y Premio Nobel de Física en 2010 por sus trabajos sobre el grafeno. Una de las particularidades de esta batería es que triplica la densidad energética de la batería convencional de ión-litio.

El nuevo ánodo ha sido desarrollado por Argonne National Laboratory, con una densidad energética de 525 Wh/kg, y con una capacidad de corriente del ánodo de 1.250 mA/g. La densidad energética de una batería de litio convencional es de 140-160 Wh/kg. Eso supone multiplicar por 3,28 la densidad energética de la batería convencional de ión-litio, y por 4 la capacidad del ánodo. La vida de la batería alcanza los 5.000 ciclos de descarga. Durante la descarga el ánodo libera iones positivos de litio, que migran por el electrolito hacia el cátodo, y se insertan en él. Por cada ión liberado por el ánodo surge un electrón hacia el circuito exterior.

Para cargar la batería hay que invertir el sentido de la corriente. La cantidad de energía almacenada en la batería es proporcional a la diferencia de potencial entre los electrodos, 3,6 V. Recordemos que el nanosilicio tiene una capacidad de absorción de átomos de litio que supera en diez veces al ánodo convencional. El último desarrollo ha ocurrido en 2014: el pasado 8 de junio, la Universidad de California, en Riverside, publicó la investigación de Zachary Favors sobre el silicio que llaman 3D, tridimensional. En Cedar Creek, Texas, abunda la arena de cuarzo, SiO2. La arena ha sido molida por Z. Favors hasta escala nanométrica como paso previo para lograr silicio puro. La arena se mezcla con magnesio, se calienta a alta temperatura, el magnesio capta el oxígeno del SiO2, y logramos nanosilicio puro, pero además poroso, una esponja de Si.

El silicio en el ánodo de la batería ofrece una gran superficie, que permite a los iones de litio aumentar su velocidad de desplazamiento. Para aumentar la eficiencia el silicio, éste está impregnado de nanocarbono. Favors ha logrado con ese silicio fabricar una pila del tamaño de una moneda, y ha comprobado que el ánodo de nanosilicio triplica la eficiencia y vida útil de la bateria ión litio. Ahora Calbattery, en unión con Caleb, fabrican esa pila para teléfonos móviles. Ese mismo ánodo será empleado para la batería LinPoly, de Caleb Technologies, que contiene polímero en el electrolito de ión litio.

El nuevo ánodo ha sido desarrollado por Argonne National Laboratory.

Los electrodos nanoestructurados no se los imaginaba Alessandro Volta, cuando en 1800 inventó la batería eléctrica. Tampoco se imaginaba Volta que la batería serviría para algo, al comunicar el 20 de marzo de 1800 su descubrimiento a la Royal London Society. El desarrollo de los electrodos nanoestructurados tenía que ocurrir algún día, porque la capacidad energética en Amp/h de la pila depende de la superficie de los electrodos y del electrolito. Cuanto mayor sea el electrodo mayor será la vida útil.

Pero la capacidad disminuye con una descarga rápida: la capacidad será menor de la esperada. Por tanto, una batería de 100 Ah dará 5 A durante 20 horas. Pero si la descargamos a 50 A se agotará antes de cumplir las dos horas esperadas. La ley de Peukert relaciona la eficiencia de la batería en función de la descarga y de la temperatura. Una batería de litio-ión de 200 A/h entregará menos energía que la que recibió en la carga, entre otras razones, porque el voltaje durante la carga es más elevado que durante la descarga, pero con litio-ión la diferencia es muy pequeña (99% de rendimiento). En la batería de níquel-cadmio el rendimiento es de sólo el 66%. El voltaje del litio-ión depende sólo de la química, y no de si está cargada o vacía. No obstante, su resistencia interna aumenta a medida que la batería se agota: disminuye su voltaje y sus posibilidades de entregar amperios.

Es un proyecto que se ha escuchado desde el año pasado, las investigaciones respecto al uso de esta nueva batería serán de gran relevancia, ya que si se logrará utilizar en automóviles o lanzar al mercado en todo el mundo, sería de gran ayuda para el planeta y para nuestras actividades en las que hacemos uso de éstas.


Los invito a leer más, en: http://www.interempresas.net/Quimica/Articulos/130365-Nueva-bateria-de-litio-con-nanocarbono-y-silicio.html


Subida por: Luis Mauricio Ortiz Gálvez.