(Phys.org) —Resolver el misterio de lo que sucede dentro de las baterías cuando el silicio entra en contacto con el litio podría acelerar la comercialización de baterías de alta capacidad de próxima generación, para usar en teléfonos móviles y otras aplicaciones.

Las baterías de próxima generación basadas en silicio se han acercado un paso más a la realidad comercial, después de que el misterio que rodea lo que está sucediendo dentro de las baterías cuando el silicio entra en contacto con el litio se ha entendido con un detalle sin precedentes. La tecnología basada en silicio ampliaría enormemente la capacidad de las baterías utilizadas en los teléfonos móviles, vehículos eléctricos y otras aplicaciones.

Utilizando una combinación de técnicas de nanotecnología y resonancia magnética nuclear (RMN), Los investigadores han desarrollado un nuevo sistema de sondeo que permite ver lo que está sucediendo dentro de las baterías a nivel atómico. permitiendo un mayor control sobre las propiedades de los materiales.

El silicio se ha propuesto como reemplazo del carbono en los ánodos de las baterías (electrodos negativos) durante los últimos 20 años. ya que tiene aproximadamente diez veces más capacidad de almacenamiento que el carbono. Sin embargo, La dificultad para gestionar las propiedades del silicio ha impedido que la tecnología se aplique a escala.

El principal problema con el uso de silicio en una batería de iones de litio es que los átomos de silicio absorben átomos de litio, y el silicio se expande hasta tres veces en volumen, degradando la batería. Aunque controlar esta expansión se ha vuelto más fácil durante la última década, la falta de comprensión sobre lo que está sucediendo dentro de las baterías y lo que gobierna las reacciones ha continuado reteniendo las baterías de silicio.

Investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado un nuevo método para sondear baterías de silicio y han determinado qué causa la expansión. Los resultados se publican en la edición del 3 de febrero de la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

"El desafío más básico para entregar baterías de tan alta capacidad es comprender las reacciones que ocurren dentro de ellas, ", dijo el autor principal, el Dr. Ken Ogata, del Departamento de Ingeniería.

Utilizando alambres a nanoescala hechos de silicio y técnicas de RMN, los investigadores desarrollaron un sistema de modelo robusto capaz de adaptarse a la expansión del silicio durante múltiples ciclos, y lo integró con técnicas de sondeo de corto alcance que revelan lo que está sucediendo dentro de la batería a nivel atómico. El equipo descubrió que las reacciones proceden de interacciones de varios tamaños de redes y clústeres de silicio, energéticos de los cuales en parte gobiernan el camino de la reacción.

Usando estas técnicas combinadas, los investigadores pudieron desarrollar un "mapa" de cómo se transforma el silicio cuando se pone en contacto con el litio en una batería. Los conocimientos abiertos por la tecnología impulsarán nuevos desarrollos de baterías de silicio, ya que será más fácil para los ingenieros controlar sus propiedades.

"El uso de esta técnica ayudará a que el diseño de la batería sea mucho más sistemático, y menos ensayo y error, ", dijo el Dr. Ogata." Las baterías basadas en nanocables junto con el sistema de RMN nos permitieron seguir la cinética de reacción durante múltiples ciclos con varias estrategias de ciclo. En tono rimbombante, los conocimientos logrados por la nueva tecnología son relevantes para los ánodos compuestos de silicio-carbono de última generación y conducirán a un mayor desarrollo de los ánodos ".

Esta versátil tecnología basada en nanocables se puede aplicar a otros sistemas de baterías, como baterías de iones de litio y baterías de iones de sodio a base de estaño y germanio. y actualmente se están realizando estudios con la espectroscopía de RMN bajo una amplia variedad de regímenes electroquímicos.