Los electrodos de batería reforzados con fibra de carbono más gruesos pueden permitir baterías de alta densidad

En un proyecto publicado en la edición de junio de 2020 de las Nano Letters de la American Chemical Society Journal, investigadores del Centro de Materiales Compuestos (CCM) de la Universidad de Delaware (Newark, Delaware, EE. UU.) han desarrollado un electrodo de batería ultragrueso reforzado con fibras de carbono alineadas verticalmente. Llamado "grueso alineado con fibra" o "FAT", se dice que el nuevo diseño de electrodo exhibe propiedades mejoradas y es fácilmente escalable para fabricar.

"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 de la Universidad de Delaware. y autor del estudio. Para mejorar la capacidad específica de una batería, dice, es necesario aumentar la cantidad de material activo y disminuir los materiales inactivos.

El electrodo FAT diseñado por el Centro de Materiales Compuestos de la Universidad de Delaware incorpora fibras de carbono cortas unidireccionales (UD) alineadas en la dirección del electrodo, con el material del electrodo activo (LiFePO ₄ , o 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, lo que permite un rápido transporte de iones dentro del electrolito líquido. "El electrodo FAT utiliza fibras de carbono alineadas para construir una estructura de electrodo alineada con fibra de espesor total 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 incrementar significativamente la ración de material activo / material inactivo, para lograr una mayor capacidad específica”, agrega. La baja tortuosidad del electrodo FAT permite una rápida infusión de electrolitos y un rápido transporte de electrones / iones, exhibiendo una mayor capacidad de retención y menor resistencia a la transferencia de carga que el diseño convencional de electrodo grueso fundido en suspensión.

Además de las propiedades mejoradas y una mayor capacidad, los investigadores dicen que el método de fabricación es fácilmente escalable y se produce a bajo costo, que involucra una tinta de electrodo acuosa y un refuerzo de membrana de fibra de carbono cortada y laminada. Para fabricar el electrodo, la membrana de fibra de carbono, que se carga de antemano con el material del electrodo activo, se enrolla en forma cilíndrica y luego se corta perpendicular a la dirección axial de las fibras. Los investigadores utilizaron este método para fabricar un electrodo de 18 milímetros de diámetro y una altura de 55 milímetros para su uso potencial en 18650 celdas de batería cilíndricas.

A continuación, los investigadores planean aplicar el marco de fibra de carbono alineado al diseño de ánodo, baterías de estado sólido y Li-S y Li-O ₂ baterías, dice Fu, y los usos potenciales incluyen baterías para vehículos eléctricos, electrónica o almacenamiento de energía de la red.

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