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A medida que crece la industria de los vehículos eléctricos (EV), también crece la investigación y el desarrollo de las baterías de iones de litio de alta calidad que los alimentan.La investigación y expansión de tecnologías de carga y descarga rápida, así como la ampliación de la vida útil de la batería, son tareas clave en su desarrollo.
Varios factores, como las características de la interfaz electrodo-electrolito, la difusión de iones de litio y la porosidad del electrodo, pueden ayudar a superar estos problemas y lograr una carga rápida y una vida útil más larga.
En los últimos años, los nanomateriales bidimensionales (2D) (estructuras laminares de unos pocos nanómetros de espesor) han surgido como posibles materiales anódicos para baterías de iones de litio.Estas nanohojas tienen una alta densidad de sitio activo y una alta relación de aspecto, lo que contribuye a una carga rápida y excelentes características de ciclo.
En particular, los nanomateriales bidimensionales basados ​​en diboruros de metales de transición (TDM) atrajeron la atención de la comunidad científica.Gracias a los planos en forma de panal de los átomos de boro y los metales de transición multivalentes, los TMD exhiben alta velocidad y estabilidad a largo plazo de los ciclos de almacenamiento de iones de litio.
Actualmente, un equipo de investigación dirigido por el Prof. Noriyoshi Matsumi del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) y el Prof. Kabir Jasuja del Instituto Indio de Tecnología (IIT) Gandhinagar está trabajando para explorar más a fondo la viabilidad del almacenamiento TMD.
El grupo ha llevado a cabo el primer estudio piloto sobre el almacenamiento de nanohojas jerárquicas (THNS) de diboruro de titanio (TiB2) como materiales anódicos para baterías de iones de litio.El equipo incluía a Rajashekar Badam, ex profesor titular de JAIST, Koichi Higashimin, experto técnico de JAIST, Akash Varma, ex estudiante de posgrado de JAIST y la Dra. Asha Lisa James, estudiante de IIT Gandhinagar.
Los detalles de su investigación se publicaron en ACS Applied Nano Materials y estarán disponibles en línea el 19 de septiembre de 2022.
TGNS se obtuvo mediante oxidación de polvo de TiB2 con peróxido de hidrógeno seguido de centrifugación y liofilización de la solución.
Lo que destaca nuestro trabajo es la escalabilidad de los métodos desarrollados para sintetizar estas nanohojas de TiB2.Para convertir cualquier nanomaterial en una tecnología tangible, la escalabilidad es el factor limitante.Nuestro método sintético requiere sólo agitación y no requiere equipo sofisticado.Esto se debe al comportamiento de disolución y recristalización del TiB2, que es un descubrimiento accidental que hace de este trabajo un puente prometedor entre el laboratorio y el campo.
Posteriormente, los investigadores diseñaron una media celda anódica de iones de litio utilizando THNS como material activo del ánodo e investigaron las propiedades de almacenamiento de carga del ánodo basado en THNS.
Los investigadores descubrieron que el ánodo basado en THNS tiene una alta capacidad de descarga de 380 mAh/g con una densidad de corriente de sólo 0,025 A/g.Además, observaron una capacidad de descarga de 174 mAh/g con una alta densidad de corriente de 1 A/g, una retención de capacidad del 89,7 % y un tiempo de carga de 10 minutos después de 1000 ciclos.
Además, los ánodos de iones de litio basados ​​en THNS pueden soportar corrientes muy altas, de aproximadamente 15 a 20 A/g, lo que proporciona una carga ultrarrápida en aproximadamente 9 a 14 segundos.A corrientes elevadas, la retención de capacidad supera el 80% después de 10.000 ciclos.
Los resultados de este estudio muestran que las nanohojas 2D de TiB2 son candidatas adecuadas para cargar rápidamente baterías de iones de litio de larga duración.También destacan los beneficios de los materiales a granel a nanoescala, como el TiB2, por sus propiedades favorables que incluyen una excelente capacidad de alta velocidad, almacenamiento de carga pseudocapacitiva y un excelente rendimiento cíclico.
Esta tecnología de carga rápida puede acelerar la popularización de los vehículos eléctricos y reducir en gran medida el tiempo de espera para cargar varios dispositivos electrónicos móviles.Esperamos que nuestros resultados inspiren más investigaciones en esta área, que en última instancia pueden brindar comodidad a los usuarios de vehículos eléctricos, reducir la contaminación del aire urbano y aliviar el estrés asociado con la vida móvil, aumentando así la productividad de nuestra sociedad.
El equipo espera que esta extraordinaria tecnología se utilice pronto en vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos.
Varma, A., et al.(2022) Nanohojas jerárquicas basadas en diboruro de titanio como materiales anódicos para baterías de iones de litio.Nanomateriales aplicados ACS.doi.org/10.1021/acsanm.2c03054.
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