Miembros del Instituto de Física Nuclear D. V. Skobeltsyn y colegas de la Facultad de Química de la Universidad Estatal Lomonosov de Moscú han desarrollado un nuevo material a base de silicio y germanio que podría aumentar significativamente las características específicas de las baterías de iones de litio. Los resultados de la investigación se han publicado en el Revista de Química de Materiales A .

Las baterías de iones de litio son el tipo de sistema de almacenamiento de energía más popular para los dispositivos electrónicos modernos. Están compuestos por dos electrodos:el negativo (ánodo) y el positivo (cátodo), que se colocan en un recinto hermético. El espacio intermedio se llena con un separador poroso, empapado en una solución de electrolito conductor de iones de litio. El separador evita cortocircuitos entre los electrodos bipolares y proporciona volumen de electrolito, necesario para el transporte de iones. La corriente eléctrica en un circuito externo se genera cuando los iones de litio se extraen del material del ánodo y se mueven a través del electrolito con una mayor inserción en el material del cátodo. Sin embargo, la capacidad específica de una batería de iones de litio se define en gran medida por el número de iones de litio que pueden ser aceptados y transferidos por los materiales activos del ánodo y el cátodo.

Los científicos han desarrollado y estudiado un nuevo material de ánodo que permite aumentar significativamente la eficiencia energética de las baterías de iones de litio. El material es adecuado para su uso en baterías de iones de litio de película fina y a granel.

El físico Victor Krivchenko, uno de los autores, dice, "Actualmente se presta mucha atención a la elaboración de materiales de ánodos a base de silicio y germanio. Al interactuar con iones de litio, estos elementos son capaces de generar aleaciones cuya capacidad específica excede teóricamente a la del grafito, el material de ánodo tradicional utilizado en las modernas baterías de iones de litio ".

Entre todos los materiales de ánodos conocidos, El silicio posee la mayor capacidad gravimétrica de litio, teóricamente alcanzando hasta 4200 mAh / g. Esto lo convierte en el material más prometedor para baterías con densidad energética mejorada. El germanio es más caro y tiene menos capacidad gravimétrica que el silicio. Sin embargo, es mejor para conducir corriente. Es más, La difusión de iones de litio en el interior del germanio es varios órdenes de magnitud más rápida que en el interior del silicio. Estas peculiaridades del germanio confieren un aumento sustancial de la densidad de potencia de la batería sin una alteración significativa del volumen.

El principal problema de los materiales de los electrodos es que su estructura sufre una degradación significativa en el proceso cíclico de carga y descarga. resultando en una falla de la batería. Los científicos proponen resolver este problema con materiales nanoestructurados y el desarrollo de materiales compuestos en los que se podrían aplicar nanoestructuras de carbono como matrices estabilizadoras. La transición de la distribución tradicional bidimensional a tridimensional de un material activo en la superficie del electrodo podría considerarse como una solución alternativa.

Victor Krivchenko dice:"La principal novedad del proyecto es la idea de utilizar una matriz formada por estructuras de carbono cultivadas con plasma con una arquitectura de superficie muy compleja para la implementación de materiales de ánodos a base de silicio y germanio con las propiedades estructurales y funcionales deseadas. Tales estructuras están compuestas de densos matriz de nanopared de grafeno, orientado verticalmente a la superficie de un sustrato metálico ".

Los científicos han aplicado la técnica de pulverización catódica con magnetrón, proporcionó un revestimiento homogéneo de superficies de nanopared con capas de silicio o germanio de 10 a 50 nm de espesor. Al mismo tiempo, la estructura final del ánodo compuesto podría estar compuesta por una o capas alternas de material activo. Se demostró que la arquitectura tridimensional obtenida proporciona una alta capacidad específica y aumenta la estabilidad de las características específicas de los ánodos basados ​​en silicio y germanio.

El científico dice:"Los resultados de la investigación podrían respaldar tecnológicamente una mayor elaboración de materiales de electrodos prometedores para sistemas de almacenamiento de energía de próxima generación. En el marco del proyecto, los científicos han logrado resultados de clase mundial en el área de la aplicación de nuevos materiales nanoestructurados, además de elaborar y estudiar sus propiedades electroquímicas y fisicoquímicas. Los estudios han proporcionado nuevos datos experimentales relacionados con el comportamiento de la nanoestructura en sistemas electroquímicos ".