Un modelo matemático que puede resolver los problemas de las baterías de próxima generación


Los investigadores han desarrollado un nuevo modelo matemático que combina la física y la química de baterías de metal de litio muy prometedoras. En consecuencia, esto ha llevado a soluciones novedosas y viables a un problema que se ha asociado con la degradación y el fracaso.

Las baterías de metal de litio se muestran prometedoras como tecnologías de almacenamiento de energía de próxima generación. Tienen una mayor capacidad energética, se cargan más rápido y son más ligeras que las baterías de iones de litio. Sin embargo, hasta ahora, el uso comercial de tales baterías ha sido limitado debido a preocupaciones sobre su potencial de sobrecalentamiento y riesgo de incendio. Una de las razones principales es la producción de "dendritas", estructuras delgadas, metálicas, en forma de árbol que brotan a medida que el litio metálico se acumula en los electrodos dentro de la batería.

Los científicos de Stanford ahora han desarrollado un modelo matemático que mostró que reemplazar los electrolitos, el líquido a través del cual los iones de litio migran entre los dos electrodos de una batería, con electrolitos con ciertas propiedades podría reducir o incluso detener el crecimiento de las dendritas.

En particular, la investigación requiere nuevas tácticas de diseño de electrolitos que impliquen apuntar a materiales anisotrópicos que muestren diferentes propiedades en diferentes orientaciones. Un ejemplo de tal material es la madera, que es más fuerte en la dirección de la veta que contra la veta. Estos materiales podrían refinar la intrincada interacción entre el transporte de iones y la química interfacial en electrolitos anisotrópicos y evitar la acumulación que conduce a la evolución de las dendritas. Según los investigadores, algunos cristales líquidos y geles exhiben estas propiedades deseadas.

Los separadores de batería (diafragmas que evitan que los electrodos en los extremos opuestos de la batería se toquen y se cortocircuiten) son otra solución que fue un aspecto importante del estudio. Se podrían desarrollar nuevos separadores con poros que permitan que los iones de litio se muevan anisotrópicamente a través del electrolito.

"El objetivo de nuestro estudio es guiar el diseño de baterías de metal de litio de mayor duración", dijo el autor principal del estudio, Weiyu Li, estudiante de doctorado en ingeniería de recursos energéticos, coasesorado por los profesores Daniel Tartakovsky y Hamdi Tchelepi. "Nuestro marco matemático da cuenta de los procesos químicos y físicos clave en las baterías de metal de litio a la escala adecuada".

"Este estudio proporciona algunos de los detalles específicos sobre las condiciones bajo las cuales se pueden formar las dendritas y las posibles formas de suprimir su crecimiento", dijo el coautor del estudio Tchelepi, profesor de ingeniería de recursos energéticos en la Escuela de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente de Stanford ( Tierra de Stanford). .




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