La mayoría de las baterías de iones de litio (LIB) integran ánodos de grafito, que tienen una capacidad de aproximadamente 350 miliamperios hora (mAh) por gramo. La capacidad de los ánodos de silicio es casi 10 veces mayor que la de sus homólogos de grafito (alrededor de 2, 800 mAh por gramo), y, por tanto, teóricamente podría permitir el desarrollo de baterías de litio más compactas y ligeras.

A pesar de su mayor capacidad, Los ánodos de silicio hasta ahora no han podido competir con los ánodos de grafito, a medida que el silicio se expande y contrae durante el funcionamiento de la batería, por lo que la capa protectora exterior de los ánodos puede romperse fácilmente mientras una batería está funcionando. En un artículo reciente publicado en Energía de la naturaleza , un equipo de investigadores de la Universidad de Maryland College Park y el Laboratorio de Investigación del Ejército ha informado sobre un nuevo diseño de electrolitos que podría superar las limitaciones de los ánodos de silicio existentes.

"Los ánodos de silicio y sus capas protectoras de interfase de electrolitos sólidos (SEI) formadas son más fáciles de pulverizar durante el funcionamiento de la batería, porque el SEI se une fuertemente a Si, por lo que ambos experimentan una gran cantidad de cambios, "Ji Chen, uno de los principales investigadores que llevó a cabo el estudio, dijo Phys.org.

El SEI es una capa protectora que se forma naturalmente cuando las partículas del ánodo están en contacto directo con un electrolito. Esta capa sirve como barrera que evita que se produzcan más reacciones dentro de la batería. separando el ánodo del electrolito.

"Si esta capa protectora se daña durante la expansión o contracción de las partículas del ánodo de Si, las partículas del ánodo recién expuestas reaccionan continuamente con el electrolito hasta que se agota durante el ciclo de la batería, "Oleg Borodin, un químico senior involucrado en el estudio en el Laboratorio de Investigación del Ejército, dijo Phys.org.

Durante más de una década, grupos de investigación de todo el mundo han intentado superar los problemas que impiden el uso de ánodos de silicio en LIB, principalmente mediante el diseño de SEI flexibles y orgánicos que se expanden con los ánodos. La mayoría de las soluciones que desarrollaron, sin embargo, han demostrado ser completamente ineficaces o levemente efectivos, por lo tanto, solo previene parcialmente el daño de SEI.

"Por mucho tiempo, la comunidad de investigación de LIB ha estado tratando de idear técnicas para hacer que los ánodos de alta capacidad como el Si funcionen, "dijo Chunsheng Wang, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular y del Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de Maryland (UMD), quien también es el Director de la UMD del Centro de Investigación en Baterías Extremas. "Estos investigadores trabajaban principalmente en el nivel del material de Si mediante la introducción de costosos procesos de nanofabricación. Intentamos abordar este problema de manera diferente diseñando el electrolito y el SEI correspondiente para ánodos de alta capacidad".

Chen, Borodin, Wang y sus colegas diseñaron un electrolito que podría mejorar el rendimiento de los ánodos de silicio de tamaño micro en los LIB, previniendo daños a su barrera protectora exterior. En comparación con las soluciones propuestas anteriormente, su enfoque minimiza sustancialmente la degradación de electrolitos, permitiendo así un ciclo de batería mucho más prolongado antes de que pierda su capacidad.

El objetivo final del estudio de los investigadores fue identificar un universal, solución directa que podría facilitar el desarrollo de ánodos de alta capacidad para baterías de litio. Lograr esto, diseñaron electrolitos usando LiPF ₆ , una sal de última generación, y una mezcla de disolventes de éter, formando una capa protectora SEI rica en LiF muy robusta.

"La estructura de solvatación especial (interacción entre la sal y el solvente) y la amplia brecha entre la tendencia a la reducción de la sal y el solvente promueve la formación de un SEI único rico en LiF en Si que es muy útil para ciclar la alta capacidad Ánodos de Si, "Oleg explicó." El electrolito que diseñamos proporciona una solución inmediata para la tecnología LIB actual sin requerir un procesamiento costoso, manteniendo una alta estabilidad cíclica y una eficiencia Coulombic (CE) sin precedentes ".

El reciente estudio de Chen, Borodin, Wang y sus colegas demuestran que lograr un buen ciclo y una CE alta en LIB que contienen ánodos de silicio es, De hecho, posible, y que se puede lograr simplemente reemplazando el electrolito dentro de una batería, que anteriormente se consideraba inviable o totalmente inviable. El principio detrás de su diseño de electrolitos también podría aplicarse teóricamente a todos los ánodos de aleación de alta capacidad. En el futuro, este diseño podría permitir la creación de baterías de litio de mejor rendimiento que contienen ánodos basados ​​en materiales distintos al grafito.

"Nuestros hallazgos señalan una nueva dirección para el diseño de electrolitos y podrían dar a los equipos de investigación de todo el mundo confianza en la aplicación de materiales de ánodos de alta capacidad en LIB, ", Dijo Wang." Nuestros próximos pasos serán mejorar la ventana de voltaje del electrolito y tratar de licenciar la tecnología a los fabricantes de baterías ".

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