Científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL, por sus siglas en inglés), han encontrado la forma de evitar que el silicio se expanda en las baterías de litio al desarrollar una nanoestructura única de carbono sobre las microesferas de silicio, logrando de esa manera, una resistencia extraordinaria.
El mismo material que encontrará en la punta de un lápiz, el grafito, ha sido durante mucho tiempo un componente clave en las baterías de iones de litio actuales. Sin embargo, a medida que aumenta nuestra dependencia de estas baterías, los electrodos basados en grafito deben actualizarse. Para eso, los científicos están buscando el elemento en el corazón de la revolución digital: el silicio.
Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. han ideado una forma novedosa de utilizar este prometedor pero problemático ingrediente de almacenamiento de energía. El silicio, utilizado en chips de computadora y muchos otros productos, es atractivo porque puede contener 10 veces la carga eléctrica por gramo en comparación con el grafito. El problema es que el silicio se expande mucho cuando encuentra litio, y es demasiado débil para soportar la presión de la fabricación de electrodos.
Para abordar estos problemas, un equipo dirigido por los investigadores de PNNL Ji-Guang (Jason) Zhang y Xiaolin Li desarrollaron una nanoestructura única que limita la expansión del silicio mientras lo fortifica con carbono. Su trabajo, que se publicó recientemente en la revista Nature Communications, podría informar nuevos diseños de materiales de electrodos para otros tipos de baterías y, finalmente, ayudar a aumentar la capacidad de energía de las baterías de iones de litio en automóviles eléctricos, dispositivos electrónicos y otros equipos.
Sacando los contras del silicio
El grafito, una forma conductora y estable de carbono, es muy adecuado para empaquetar iones de litio en el ánodo de una batería mientras se carga. El silicio puede absorber más litio que el grafito, pero tiende a hincharse aproximadamente en un 300 por ciento en volumen, lo que hace que el ánodo se rompa. Los investigadores crearon una forma porosa de silicio agregando pequeñas partículas de silicio en microesferas de aproximadamente 8 micrómetros de diámetro, equivalente al tamaño de un glóbulo rojo.
“Un material sólido como la piedra, por ejemplo, se romperá si se expande demasiado en volumen”, dijo Zhang. “Lo que creamos es más parecido a una esponja, donde hay espacio adentro para absorber la expansión”.
El electrodo con estructura de silicio poroso exhibe un cambio en el grosor de menos del 20 por ciento, mientras que aloja el doble de carga que un ánodo de grafito típico, encontró el estudio. Sin embargo, a diferencia de las versiones anteriores de silicio poroso, las microesferas también exhibieron una resistencia mecánica extraordinaria, gracias a los nanotubos de carbono que hacen que las esferas se parezcan a bolas de hilo.
El novedoso diseño de nanoestructura brinda una fuerza extraordinaria a un prometedor ingrediente de almacenamiento de energía
Microesferas súper fuertes
Los investigadores crearon la estructura en varios pasos, comenzando por recubrir los nanotubos de carbono con óxido de silicio. Luego, los nanotubos se pusieron en una emulsión de aceite y agua. Luego fueron calentados a ebullición.
“Los nanotubos de carbono recubiertos se condensan en esferas cuando el agua se evapora”, dijo Li.
Agrego que: “Luego usamos aluminio y calor más alto para convertir el óxido de silicio en silicio, seguido de inmersión en agua y ácido para eliminar los subproductos”.
Lo que emerge del proceso es un polvo compuesto de pequeñas partículas de silicio en la superficie de los nanotubos de carbono.
La resistencia de las esferas de silicio poroso se probó utilizando la sonda de un microscopio de fuerza atómica. Los autores encontraron que una de las bolas de hilo de tamaño nanométrico “puede ceder ligeramente y perder algo de porosidad bajo una fuerza de compresión muy alta, pero no se romperá”.
Esto es un buen augurio para la comercialización, ya que los materiales anódicos deben ser capaces de manejar una alta compresión en los rodillos durante la fabricación.
El siguiente paso, dijo Zhang, es desarrollar métodos más escalables y económicos para fabricar las microesferas de silicio para que algún día puedan llegar a la próxima generación de baterías de iones de litio de alto rendimiento.
Noticia de: Eurekalert / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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