Las Baterías Imitan La Geometría Multicapa De Los Huesos De Mamíferos Para La Estabilidad Estructural

Estructura osea

Al copiar la geometría multicapa de los huesos de los mamíferos, los cátodos para baterías de iones de sodio se pueden hacer más estables estructuralmente, mientras se mantienen altas capacidades y velocidades de carga rápidas.

Las baterías de iones de sodio están preparadas para reemplazar las baterías de iones de litio para el almacenamiento de energía eléctrica a gran escala. Ofrecen varias ventajas sobre las baterías de iones de litio, particularmente debido a la gran abundancia de sodio.

Sin embargo, es difícil desarrollar cátodos de sodio, materiales a través de los cuales los electrones pueden ingresar a una batería. Muchos materiales candidatos son inestables o no pueden soportar altos voltajes.

Para encontrar una solución, investigadores de la Universidad de Sungkyunkwan, la Universidad de Texas en Austin y el Laboratorio Nacional Brookhaven recurrieron a la naturaleza. Describen su cátodo de sodio inspirado en huesos de mamíferos en la revista  Applied Physics Reviews , de AIP Publishing.

“Creemos que la naturaleza proporciona una solución muy prometedora para resolver problemas técnicos”, dijo Ho Seok Park, uno de los autores. “En consecuencia, intentamos encontrar la arquitectura ideal que pueda resolver estas limitaciones cinéticas y de estabilidad”.

Las estructuras óseas de los mamíferos consisten en un hueso interno poroso y esponjoso que permite el almacenamiento y transporte de la médula ósea, rodeado por un hueso duro y compacto, que ofrece integridad mecánica y estructural bajo estrés severo.

Hueso de mamífero y cátodo NVP

Una ilustración esquemática que demuestra cómo la estructura de un hueso de mamífero se traduce en el diseño del cátodo NVP inspirado en el hueso. Crédito: Kang Ho Shin, Sul Ki Park, Puritut Nakhanivej, Yixian Wang, Pengcheng Liu, Seong-Min Bak, Min Sung Choi, David Mitlin y Ho Seok Park

Siguiendo esta arquitectura de diseño, el grupo creó un sistema poroso de estructuras de Na3V2 (PO4) 3, también conocido como NVP, rodeado por una densa capa de reducido grafeno óxido (rGO). NVP es un material de cátodo de sodio que transporta iones de sodio rápidamente pero es estructuralmente inestable.

La configuración similar a un hueso ayuda a mejorar la integridad estructural del sistema, reduciendo el daño permanente causado por el estrés electroquímico y mecánico. Mientras tanto, la combinación de NVP y rGO crea un entorno más favorable para los iones de sodio, mejorando la estabilidad del sistema. La batería puede cargarse a velocidades ultra altas y mantener más del 90% de su capacidad después de 10,000 ciclos de descarga y recarga, dependiendo de la velocidad de carga.

A pesar de estos avances técnicos prometedores, los investigadores señalan que el trabajo es actualmente solo una prueba de concepto que demuestra la viabilidad de un cátodo de sodio inspirado en huesos de mamíferos. Es necesario realizar un trabajo adicional para realizar las utilizaciones tecnológicas del sistema.

“Se cree que una síntesis a gran escala de NVP inspirada en huesos con alta calidad, la optimización de la composición y estructura de NVP inspiradas en huesos, y la fabricación y prueba de electrodos con gran área y alta carga se requieren para aplicaciones más prácticas”. Dijo Park.

Referencia: “La arquitectura compuesta biomimética logra una capacidad de velocidad ultra alta y una vida útil cíclica de los cátodos de la batería de iones de sodio” por Kang Ho Shin, Sul Ki Park, Puritut Nakhanivej, Yixian Wang, Pengcheng Liu, Seong-Min Bak, Min Sung Choi, David Mitlin y Ho Seok Park, 8 de diciembre de 2020, Revisiones de física aplicada .
DOI: 10.1063 / 5.0020805

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