Electrodos de batería reforzados con fibra de carbono ultra-gruesos prometen mayor densidad energética

En un proyecto publicado en la edición de junio de 2020 de la revista Nano Letters de la American Chemical Society, investigadores del Centro de Materiales Compuestos (CCM) de la Universidad de Delaware (Newark, Delaware, EE. UU.) han desarrollado un electrodo de batería ultra-grueso reforzado con fibras de carbono alineadas verticalmente. Llamado "fiber-aligned thick" o "FAT", el nuevo diseño de electrodo exhibe propiedades mejoradas y es fácilmente escalable a fabricación.

Estructura y ventajas del electrodo FAT

"En una batería, el electrodo está compuesto por un material activo (el material del electrodo) y componentes inactivos (p. ej. colectores de corriente metálicos, aglutinantes poliméricos, y matriz conductora)", explica el Dr. Kun Fu, profesor asistente en la Universidad de Delaware y autor del estudio. Para mejorar la capacidad específica de una batería, dice, hay que aumentar la cantidad de material activo y disminuir los materiales inactivos.

El electrodo FAT diseñado por el CCM de la Universidad de Delaware incorpora fibras de carbono cortas unidireccionales (UD) alineadas en la dirección del electrodo, con el material activo del electrodo (LiFePO₄, fosfato de hierro y litio) incrustado entre las fibras. Los poros entre las fibras de carbono forman canales de baja tortuosidad a través del electrodo, permitiendo un transporte rápido de iones dentro del electrolito líquido. "El electrodo FAT usa fibras de carbono alineadas para construir una estructura de electrodo alineada a través del espesor con características de alta carga de material de electrodo, baja tortuosidad, alta conductividad eléctrica y térmica, y buena propiedad de compresión", dice Fu.

"En este caso, un electrodo más grueso podría aumentar significativamente la proporción de material activo/inactivo, para lograr mayor capacidad específica", añade. La baja tortuosidad del electrodo FAT permite una infusión rápida de electrolito y transporte rápido de electrones/iones, exhibiendo una mayor retención de capacidad y menor resistencia de transferencia de carga que diseños convencionales de electrodos gruesos colados en suspensión.

Fabricación escalable y bajo coste

Además de propiedades mejoradas y mayor capacidad, los investigadores afirman que el método de fabricación es fácilmente escalable y producido a bajo coste, involucrando una tinta de electrodo acuosa y un refuerzo de membrana de fibra de carbono cortada y enrollada. Para fabricar el electrodo, la membrana de fibra de carbono, cargada previamente con el material activo del electrodo, se enrolla en forma cilíndrica y luego se corta perpendicular a la dirección axial de las fibras. Los investigadores usaron este método para fabricar un electrodo de 18 mm de diámetro y 55 mm de altura para uso potencial en celdas cilíndricas 18650.

Como siguiente paso, los investigadores planean aplicar el marco de fibra de carbono alineada a diseño de ánodo, baterías de estado sólido, y baterías Li-S y Li-O₂, dice Fu, y usos potenciales incluyen baterías para vehículos eléctricos, electrónica o almacenamiento de energía en red.

Para acceder al estudio, vaya a la publicación digital de Nano Letters.