Microsferas de carbono integradas en bismuto mecánicamente robustas para la carga ultrarrápida y las baterías de...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Almacenamiento de energía

Sus antecedentes:

• Las baterías de iones de sodio (SIB) requieren ánodos avanzados para mejorar la eficiencia.
• Los ánodos de aleación microestructurados actuales sufren de mala ciclabilidad y capacidad de velocidad debido a cambios volumétricos significativos y cinética lenta.
• La degradación mecánica y la inflamación del volumen (más del 252%) limitan el rendimiento de los ánodos SIB existentes.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y desarrollar un nuevo material de ánodo para SIB de alto rendimiento.
• Para superar los desafíos de la mala ciclabilidad, la capacidad de velocidad y la degradación mecánica en los ánodos SIB.
• Mejorar la capacidad volumétrica y la velocidad de carga de los ánodos SIB.

Principales métodos:

• Fabricación de nanopartículas de bismuto (Bi) densamente empacadas incrustadas en microesferas de carbono altamente conductoras.
• Caracterización de las propiedades del ánodo, incluida la resistencia mecánica, la densidad del grifo y la hinchazón volumétrica.
• Pruebas electroquímicas de capacidad, ciclabilidad, velocidad y rendimiento a bajas temperaturas.
• Simulaciones quimiomecánicas para elucidar los mecanismos de rendimiento.

Principales resultados:

• El nuevo ánodo de microsfera de bicarbonato presenta una alta resistencia mecánica (> 590 MPa) y una hinchazón de volumen limitada (10,9%).
• Alcanzó una alta capacidad volumétrica de 908,3 mAh cm-3 y una carga ultra rápida (200 A g-1).
• Se ha demostrado una excelente ciclabilidad (> 12.000 ciclos) y un rendimiento estable a -30 °C.
• Una celda completa que utilizaba este ánodo conservaba >80% de capacidad después de 600 ciclos a 36 C, con una capacidad de tasa de 126 C.

Conclusiones:

• El ánodo de microsfera de bismuto-carbono desarrollado aborda efectivamente la degradación mecánica y las limitaciones cinéticas en los SIB.
• Este diseño ofrece una vía prometedora para ánodos duraderos, de carga rápida y de alta capacidad para SIB de próxima generación.
• El estudio proporciona información sobre los mecanismos que rigen el rendimiento electroquímico y mecánico superior.