El silicio es un elemento básico de la revolución digital, Desviar un montón de señales en un dispositivo que probablemente esté a solo unos centímetros de sus ojos en este mismo momento.

Ahora, esa misma abundancia, el material barato se está convirtiendo en un candidato serio para un papel importante en el floreciente negocio de las baterías. Es especialmente atractivo porque puede contener 10 veces más energía en una parte importante de una batería, el ánodo, que el grafito ampliamente utilizado.

Pero no tan rápido. Si bien el silicio tiene una gran reputación entre los científicos, el material en sí se hincha cuando forma parte de una batería. Se hincha tanto que el ánodo se descascara y se agrieta, provocando que la batería pierda su capacidad de mantener una carga y finalmente falle.

Ahora los científicos han presenciado el proceso por primera vez, un paso importante para hacer del silicio una opción viable que podría mejorar el costo, rendimiento y velocidad de carga de baterías para vehículos eléctricos y teléfonos móviles, laptops, relojes inteligentes y otros artilugios.

"Mucha gente ha imaginado lo que podría estar pasando, pero nadie lo había demostrado antes, "dijo Chongmin Wang, científico del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. Wang es autor correspondiente del artículo publicado recientemente en Nanotecnología de la naturaleza.

De ánodos de silicio, tazas de mantequilla de maní y pasajeros llenos de aerolíneas

Los iones de litio son la moneda de energía en una batería de iones de litio, viajando de un lado a otro entre dos electrodos a través de un líquido llamado electrolito. Cuando los iones de litio entran en un ánodo de silicio, se abren paso en la estructura ordenada, empujando los átomos de silicio torcidos, como un pasajero corpulento de una aerolínea que se aprieta en el asiento del medio en un vuelo lleno. Esta "compresión de litio" hace que el ánodo se hinche hasta tres o cuatro veces su tamaño original.

Cuando los iones de litio se van, las cosas no vuelven a la normalidad. Quedan espacios vacíos conocidos como vacantes. Los átomos de silicio desplazados llenan muchos, pero no todos, de las vacantes, como pasajeros que rápidamente recuperan el espacio vacío cuando el pasajero del medio se dirige al baño. Pero los iones de litio regresan, abriéndose camino de nuevo. El proceso se repite cuando los iones de litio se mueven hacia adelante y hacia atrás entre el ánodo y el cátodo, y los espacios vacíos en el ánodo de silicio se fusionan para formar huecos o huecos. Estas brechas se traducen en fallas de la batería.

Los científicos conocen el proceso desde hace años, pero no habían presenciado antes con precisión cómo resulta en una falla de la batería. Algunos han atribuido el fallo a la pérdida de silicio y litio. Otros han culpado al engrosamiento de un componente clave conocido como la interfase de electrolitos sólidos o SEI. El SEI es una estructura delicada en el borde del ánodo que es una puerta de entrada importante entre el ánodo y el electrolito líquido.

En sus experimentos, El equipo observó cómo las vacantes dejadas por los iones de litio en el ánodo de silicio evolucionaron hacia espacios cada vez más grandes. Luego vieron como el electrolito líquido fluía hacia los huecos como pequeños riachuelos a lo largo de la costa, infiltrarse en el silicio. Esta afluencia permitió que el SEI se desarrollara en áreas dentro del silicio donde no debería estar, un invasor molecular en una parte de la batería a la que no pertenece.

Eso creó zonas muertas destruyendo la capacidad del silicio para almacenar litio y arruinando el ánodo.

Piense en una taza de mantequilla de maní en forma impecable:el chocolate por fuera es distinto de la suave mantequilla de maní por dentro. Pero si lo sostienes en tu mano demasiado tiempo con un agarre demasiado fuerte, la capa exterior se ablanda y se mezcla con el chocolate suave del interior. Te queda una sola masa desordenada cuya estructura cambia irreversiblemente. Ya no tienes una verdadera taza de mantequilla de maní. Igualmente, después de que el electrolito y el SEI se infiltran en el silicio, los científicos ya no tienen un ánodo funcional.

El equipo fue testigo de que este proceso comenzaba inmediatamente después de un solo ciclo de batería. Después de 36 ciclos, la capacidad de la batería para mantener una carga había disminuido drásticamente. Después de 100 ciclos, el ánodo estaba arruinado.

Explorando la promesa de los ánodos de silicio

Los científicos están trabajando en formas de proteger el silicio del electrolito. Varios grupos, incluidos los científicos de la PNNL, están desarrollando revestimientos diseñados para actuar como guardianes, permitiendo que los iones de litio entren y salgan del ánodo mientras se detienen otros componentes del electrolito.

Científicos de varias instituciones unieron su experiencia para hacer el trabajo. Los científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos crearon los nanocables de silicio utilizados en el estudio. Los científicos de PNNL trabajaron junto con sus homólogos de Thermo Fisher Scientific para modificar un microscopio electrónico de transmisión criogénica para reducir el daño de los electrones utilizados para la obtención de imágenes. Y los científicos de la Penn State University desarrollaron un algoritmo para simular la acción molecular entre el líquido y el silicio.

En total, el equipo usó electrones para hacer imágenes de ultra alta resolución del proceso y luego reconstruyó las imágenes en 3-D, similar a cómo los médicos crean una imagen tridimensional de la extremidad u órgano de un paciente.

"Este trabajo ofrece una hoja de ruta clara para desarrollar el silicio como ánodo para una batería de alta capacidad, "dijo Wang.