Fig.1 Fabricación de electrodo con compuestos de virutas de Si / láminas de grafito (crédito:Universidad de Osaka)
Las baterías de iones de litio (LIB) se utilizan ampliamente en la electrónica móvil. Las preocupaciones por el calentamiento global y el cambio climático han impulsado recientemente la demanda de LIB en vehículos eléctricos y suavización de la producción solar fotovoltaica. El Si ha sido estudiado como material activo con una alta capacidad teórica de 3578 mAh / g, que es alrededor de diez veces más alto que el del grafito (372 mAh / g).
Ahora, Un equipo de investigadores de la Universidad de Osaka ha utilizado nanopolvo de Si en forma de escamas envuelto por láminas de grafito ultrafinas (GS) para fabricar electrodos LIB con alta capacidad de área y densidad de corriente.
Generalmente tratado como residuo industrial, Las virutas de Si se generan a una tasa de 100, 000 toneladas por año a nivel mundial a partir de lingotes de Si que se producen a partir de sílice mediante procesos a 1000 ~ 1800 ° C. Los refrigerantes a base de agua y las sierras de alambre de grano abrasivo fijo están allanando el camino para el uso de virutas de Si como material activo de ánodo con una alta capacidad a un costo reducido.
Se han aplicado materiales de nanocarbono a los electrodos de Si para mejorar la conductividad eléctrica y la ciclabilidad. Se han demostrado muchas estrategias para lidiar con cambios de gran volumen de electrodos de Si a costos relativamente altos. Sin embargo, los electrodos de Si no combinan todos los requisitos para un alto rendimiento de los electrodos, es decir, costo reducido, respeto al medio ambiente de materiales y procesos, y economía circular.
Fig.2 Imagen de microscopio electrónico de transmisión de virutas de Si / compuestos de láminas de grafito (crédito:Cambiado en parte de la figura original con CC BY 4.0.)
"En este estudio, Los compuestos de láminas de Si / grafito a partir de virutas de Si y grafito expandido se utilizan como material activo con un costo y un presupuesto térmico reducidos (Fig. 1). El nanopolvo de Si se dispersa y envuelve entre GS fabricados con grafito expandido (Fig.2), "explica el primer autor Jaeyoung Choi." Los puentes GS se forman a través de las grietas y suprimen el agrietamiento y el desprendimiento de Si. Los GS aglomerados envuelven compuestos de Si / GS, y funcionan como estructuras estables que aseguran las rutas de los electrolitos y los espacios de amortiguación para el cambio de volumen de Si ".
La estructura compuesta de Si / GS y la limitación de la delitiación mejoran la ciclabilidad hasta 901 ciclos a 1200 mAh / g. La capacidad de desitiación del área y la densidad de corriente de los electrodos Si / GS aumentan linealmente a 4 mAh / cm 2 y 5 mA / cm 2 , respectivamente, con la carga de masa durante más de 75 ciclos (Fig.3), mientras que los electrodos gruesos con Si recubierto de C fabricados en C2H4 no son competitivos.
Fig. 3 Rendimiento de ciclo de electrodo grueso con compuestos de viruta de Si / lámina de grafito (GS) y Si recubierto de C. Se fabricó Si revestido con C en C2H4 a 1000 ° C. (crédito:CC BY 4.0.)
"Las baterías de ánodo de Si con alta capacidad y alta densidad de corriente tienen el potencial de ser utilizadas en vehículos eléctricos. Este potencial, combinado con la generación creciente de virutas de Si como residuo industrial, permitirá que nuestro trabajo contribuya a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y al logro de los ODS, "dice el autor correspondiente Taketoshi Matsumoto.
