El mismo material que encontrará en la punta de un lápiz, el grafito, ha sido durante mucho tiempo un componente clave en las baterías de iones de litio actuales. A medida que aumenta nuestra dependencia de estas baterías, sin embargo, Los electrodos a base de grafito deben actualizarse. Para eso, Los científicos están buscando el elemento central de la revolución digital:el silicio.

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. Han encontrado una forma novedosa de utilizar este ingrediente de almacenamiento de energía prometedor pero problemático. Silicio, utilizado en chips de computadora y muchos otros productos, es atractivo porque puede contener 10 veces la carga eléctrica por gramo en comparación con el grafito. El problema es, el silicio se expande enormemente cuando se encuentra con el litio, y es demasiado débil para soportar la presión de la fabricación de electrodos.

Para abordar estos problemas, un equipo dirigido por los investigadores de PNNL, Ji-Guang (Jason) Zhang y Xiaolin Li, desarrolló una nanoestructura única que limita la expansión del silicio mientras la fortifica con carbono. Su trabajo, que fue publicado recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría informar nuevos diseños de materiales de electrodos para otros tipos de baterías y eventualmente ayudar a aumentar la capacidad de energía de las baterías de iones de litio en automóviles eléctricos, dispositivos electrónicos, y otros equipos.

Sacando las desventajas del silicio

Una forma de carbono conductora y estable, El grafito es muy adecuado para empaquetar iones de litio en el ánodo de una batería mientras se carga. El silicio puede absorber más litio que el grafito, pero tiende a hincharse alrededor del 300 por ciento en volumen, haciendo que el ánodo se rompa. Los investigadores crearon una forma porosa de silicio agregando pequeñas partículas de silicio en microesferas de aproximadamente 8 micrómetros de diámetro, aproximadamente el tamaño de un glóbulo rojo.

"Un material sólido como la piedra, por ejemplo, se romperá si se expande demasiado en volumen, ", Dijo Zhang." Lo que creamos es más parecido a una esponja, donde hay espacio en el interior para absorber la expansión ".

El electrodo con estructura de silicio poroso exhibe un cambio en el espesor de menos del 20 por ciento mientras que acomoda el doble de carga de un ánodo de grafito típico, el estudio encontró. Sin embargo, a diferencia de las versiones anteriores de silicio poroso, las microesferas también exhibieron una extraordinaria resistencia mecánica, gracias a los nanotubos de carbono que hacen que las esferas parezcan ovillos de hilo.

Microesferas superresistentes

Los investigadores crearon la estructura en varios pasos, comenzando por recubrir los nanotubos de carbono con óxido de silicio. Próximo, los nanotubos se pusieron en una emulsión de aceite y agua. Luego se calentaron a ebullición.

"Los nanotubos de carbono recubiertos se condensan en esferas cuando el agua se evapora, ", dijo Li." Luego usamos aluminio y calor más alto para convertir el óxido de silicio en silicio, seguido de inmersión en agua y ácido para eliminar los subproductos ". Lo que emerge del proceso es un polvo compuesto de pequeñas partículas de silicio en la superficie de los nanotubos de carbono.

La resistencia de las esferas de silicio poroso se probó utilizando la sonda de un microscopio de fuerza atómica. Los autores encontraron que una de las bolas de hilo de tamaño nanométrico "puede ceder ligeramente y perder algo de porosidad bajo una fuerza de compresión muy alta, pero no se romperá ".

Esto es un buen augurio para la comercialización, porque los materiales del ánodo deben poder soportar una alta compresión en los rodillos durante la fabricación. El siguiente paso, Zhang dijo:es desarrollar métodos más escalables y económicos para fabricar las microesferas de silicio, de modo que algún día puedan abrirse camino hacia la próxima generación de baterías de iones de litio de alto rendimiento.