Un nuevo estudio ayudará a los investigadores a crear baterías recargables de litio de mayor capacidad, que se utilizan comúnmente en la electrónica de consumo. En un estudio publicado en la revista ACS Nano , Los investigadores demostraron cómo un recubrimiento que hace que los electrodos de silicio de alta capacidad sean más duraderos podría conducir a un reemplazo de los electrodos de grafito de menor capacidad.

"Comprender cómo funciona el recubrimiento nos da una indicación de la dirección en la que debemos movernos para superar los problemas con los electrodos de silicio, ", dijo el científico de materiales Chongmin Wang del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía.

Gracias a su alto potencial de capacidad eléctrica, El silicio es una de las cosas más candentes en el desarrollo de baterías de iones de litio en estos días. Reemplazar el electrodo de grafito en baterías de litio recargables con silicio podría aumentar diez veces la capacidad, haciéndolos durar muchas horas más antes de que se les acabe el jugo. ¿El problema? Los electrodos de silicona no son muy duraderos:después de unas pocas docenas de recargas, ya no pueden retener la electricidad.

Eso se debe en parte a la forma en que el silicio absorbe el litio, como una esponja. Al cargar, el litio se infiltra en el electrodo de silicio. El litio hace que el electrodo de silicio se hinche hasta tres veces su tamaño original. Posiblemente como resultado de la hinchazón o por otras razones desconocidas, el silicio se fractura y se descompone.

Los investigadores han estado utilizando electrodos formados por diminutas esferas de silicio de unos 150 nanómetros de ancho, unas mil veces más pequeñas que un cabello humano, para superar algunas de las limitaciones del silicio como electrodo. El tamaño pequeño permite que el silicio se cargue rápida y completamente, una mejora con respecto a los electrodos de silicio anteriores, pero solo alivia parcialmente el problema de fractura.

El año pasado, la científica de materiales Chunmei Ban y sus colegas en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, y la Universidad de Colorado, Boulder descubrió que podían cubrir nanopartículas de silicio con un recubrimiento similar al caucho hecho de glicerol de aluminio. Las partículas de silicio recubiertas duraron al menos cinco veces más:las partículas sin recubrimiento murieron en 30 ciclos, pero los recubiertos todavía tenían una carga después de 150 ciclos.

Los investigadores no sabían cómo este recubrimiento mejoraba el rendimiento de las nanopartículas de silicio. Las nanopartículas desarrollan naturalmente una capa dura de óxido de silicio en su superficie, al igual que el acero inoxidable forma una capa protectora de óxido de cromo en su superficie. Nadie entendió si la capa de óxido interfería con el rendimiento del electrodo, y de ser así, cómo lo mejoró el revestimiento gomoso.

Para comprender mejor cómo funcionó el recubrimiento, Wang y colegas de PNNL, incluyendo Ban, convertido en experiencia y un instrumento único en EMSL, Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del DOE, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en PNNL.

El grupo de Ban, que desarrolló el revestimiento para electrodos de silicio, llamado alucone, y actualmente es el único grupo que puede crear partículas de silicio recubiertas de alucona; tomó imágenes de las partículas con gran aumento en un microscopio electrónico. Pero el equipo de Wang tiene un microscopio que puede ver las partículas en acción, mientras se cargan y descargan. Entonces, Yang He, de la Universidad de Pittsburgh, exploró las nanopartículas de silicio recubiertas en acción en EMSL.

El equipo descubrió que, sin el revestimiento de alucina, la capa de óxido evita que el silicio se expanda y limita la cantidad de litio que puede absorber la partícula cuando se carga una batería. Al mismo tiempo, encontraron que el recubrimiento de alucona suaviza las partículas, haciéndoles más fácil expandirse y contraerse con litio.

Y las imágenes microscópicas revelaron algo más:la alucona gomosa reemplaza al óxido duro. Eso permite que el silicio se expanda y contraiga durante la carga y descarga, Previniendo fracturas.

"Nos sorprendió que se eliminara el óxido, "dijo Wang." Normalmente es difícil eliminar un óxido. Tienes que usar ácido para hacer eso. Pero este método de deposición molecular que recubre las partículas cambió por completo la capa protectora ".

Además, las partículas con las cáscaras de óxido tienden a fusionarse durante la carga, aumentando su tamaño y evitando que el litio penetre en el silicio. El revestimiento de goma mantuvo las partículas separadas, permitiéndoles funcionar de manera óptima.

En el futuro, a los investigadores les gustaría desarrollar un método más sencillo para recubrir las nanopartículas de silicio.