La búsqueda de una mejor batería de iones de litio, una que pudiera mantener un teléfono celular funcionando durante días, aumentar la autonomía de los coches eléctricos y maximizar el almacenamiento de energía en una red:es una búsqueda en curso, pero un estudio reciente realizado por científicos de Canadian Light Source (CLS) con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) mostró que la respuesta se puede encontrar en la química.

"La gente ha intentado todo a nivel de ingeniería para mejorar las baterías, "dijo el Dr. Yaser Abu-Lebdeh, un oficial superior de investigación en la NRC, "sino para mejorar su capacidad, hay que jugar con la química de los materiales ".

Las baterías de litio tienen electrodos compuestos de grafito y un aglutinante llamado difluoruro de polivinilideno (PVDF), explicó Abu-Lebdeh, que trabajó con colegas de NRC y científicos en CLS en el estudio. Silicio, sin embargo, tiene 10 veces más capacidad de litio que el grafito, por lo que se ha centrado la atención en la creación de un electrodo compuesto de silicio y grafito.

Este parece ser un camino viable para aumentar la densidad de energía de las baterías recargables de iones de litio, pero las baterías compuestas de silicio pierden capacidad muy rápidamente durante el ciclo; después de solo cinco ciclos, su capacidad era incluso menor que la de los electrodos de solo grafito, incluso para pequeñas cantidades de silicio en los compuestos.

"El proyecto habría sido muy difícil de completar sin la capacidad del CLS para ver la química de la interfaz a nanoescala, "dice el científico industrial de CLS Jigang Zhou, un experto en baterías del equipo de investigación.

El equipo utilizó varias instalaciones de NRC y CLS, incluidas las pruebas electroquímicas, microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de rayos X, Desarrollar un nuevo método de caracterización de baterías que demuestre la química en la superficie de la batería. La técnica podría utilizarse para la investigación en una variedad de baterías recargables, que Zhou está emocionado.

"Para mi, la verdadera belleza es que este nuevo método de caracterización es un rayo hacia una nueva comprensión de tantas preguntas de investigación sobre baterías, "dice Zhou.

El equipo aplicó su técnica para comprender por qué incluso una pequeña cantidad de silicio, cuando se combina con grafito y el aglutinante, provocó que las baterías se degradaran. El problema, ellos descubrieron, fue la descomposición del aglutinante de PVDF durante el ciclo de la batería, que ocurrió con electrodos de grafito solamente a pesar del buen rendimiento de la batería.

Sus resultados, publicado por la American Chemical Society en línea en un artículo de acceso abierto, proporcionar una guía para el diseño de aglutinantes más adecuados para electrodos compuestos de grafito / silicio, nuevos polímeros que no muestran ninguna interacción química adversa con ninguno de los componentes, apuntando a la posibilidad de aumentar la capacidad de la batería al incluir silicio.

Abu-Lebdeh espera ver el desarrollo de nuevos aglutinantes que conduzcan a un aumento incremental del contenido de silicio, hasta un objetivo de alrededor del 20 por ciento. El resultado, él dijo, serían baterías de mayor densidad de energía con tres veces más capacidad que aquellas con electrodos de solo grafito. Añadió que si bien la adición de silicio aumenta la capacidad de la batería, no aumenta el costo si se integra como no disruptivo, tecnología incorporada en los procesos de fabricación actuales.

Abu-Lebdeh le da crédito a Zhou y al científico de CLS, Jian Wang, por proporcionar "la comprensión fundamental que fue fundamental para este trabajo. Fue una investigación verdaderamente colaborativa, y proporcionaron una pieza crucial para el rompecabezas ".

Abu-Lebdeh describió los hallazgos de los investigadores como una consideración importante para la industria de baterías de iones de litio que está trabajando hacia soluciones rentables para la electrónica de consumo de próxima generación. vehículos eléctricos y redes eléctricas.