Es probable que las últimas baterías de iones de litio del mercado extiendan la vida útil de carga a carga de teléfonos y automóviles eléctricos hasta en un 40 por ciento. Este salto adelante que se produce después de más de una década de mejoras incrementales, está sucediendo porque los desarrolladores reemplazaron el ánodo de grafito de la batería por uno hecho de silicio. La investigación de la Universidad de Drexel y el Trinity College en Irlanda ahora sugiere que una mejora aún mayor podría estar en línea si el silicio se fortifica con un tipo especial de material llamado MXene.

Este ajuste podría prolongar la vida útil de las baterías de iones de litio hasta cinco veces, el grupo informó recientemente en Comunicaciones de la naturaleza . Es posible debido a la capacidad del material MXene bidimensional para evitar que el ánodo de silicio se expanda hasta su punto de ruptura durante la carga, un problema que ha impedido su uso durante algún tiempo.

"Se proyecta que los ánodos de silicio reemplazarán los ánodos de grafito en las baterías de iones de litio con un gran impacto en la cantidad de energía almacenada, "dijo Yury Gogotsi, Doctor., Distinguido profesor universitario y de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel y director de A.J. Instituto de Nanomateriales Drexel en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, quien fue coautor de la investigación. "Hemos descubierto que agregar materiales MXene a los ánodos de silicio puede estabilizarlos lo suficiente como para ser utilizados en baterías".

En baterías, la carga se mantiene en electrodos, el cátodo y el ánodo, y se envía a nuestros dispositivos a medida que los iones viajan de ánodo a cátodo. Los iones regresan al ánodo cuando se recarga la batería. La duración de la batería se ha incrementado constantemente al encontrar formas de mejorar la capacidad de los electrodos para enviar y recibir más iones. Sustituir el grafito por silicio como material primario en el ánodo de iones de litio mejoraría su capacidad para absorber iones porque cada átomo de silicio puede aceptar hasta cuatro iones de litio, mientras que en ánodos de grafito, seis átomos de carbono contienen solo un litio. Pero mientras carga, el silicio también se expande, hasta en un 300 por ciento, lo que puede hacer que se rompa y que la batería no funcione correctamente.

La mayoría de las soluciones a este problema han implicado la adición de materiales de carbono y aglutinantes poliméricos para crear una estructura que contenga el silicio. El proceso para hacerlo, según Gogotsi, Es complejo y el carbono contribuye poco al almacenamiento de carga de la batería.

Por el contrario, El método del grupo Drexel y Trinity mezcla polvo de silicio en una solución de MXene para crear un ánodo híbrido de silicio-MXene. Las nanohojas de MXene se distribuyen aleatoriamente y forman una red continua mientras se envuelven alrededor de las partículas de silicio, actuando así como aditivo conductor y aglutinante al mismo tiempo. Es el marco MXene el que también impone un orden a los iones a medida que llegan y evita que el ánodo se expanda.

"Los MXenes son la clave para ayudar al silicio a alcanzar su potencial en las baterías, ", Dijo Gogotsi." Debido a que los MXenes son materiales bidimensionales, hay más espacio para los iones en el ánodo y pueden entrar más rápidamente, mejorando así tanto la capacidad como la conductividad del electrodo. También tienen una excelente resistencia mecánica, por lo que los ánodos de silicio-MXene también son bastante duraderos hasta un espesor de 450 micrones ".

MXenes, que se descubrieron por primera vez en Drexel en 2011, se fabrican grabando químicamente un material cerámico en capas llamado fase MAX, para eliminar un conjunto de capas relacionadas químicamente, dejando una pila de copos bidimensionales. Los investigadores han producido más de 30 tipos de MXene hasta la fecha, cada uno con un conjunto de propiedades ligeramente diferente. El grupo seleccionó dos de ellos para hacer los ánodos de silicio-MXene probados para el papel:carburo de titanio y carbonitruro de titanio. También probaron ánodos de batería hechos de nanopartículas de silicio envueltas en grafeno.

Las tres muestras de ánodo mostraron una mayor capacidad de iones de litio que los actuales ánodos de grafito o silicio-carbono utilizados en las baterías de iones de litio y una conductividad superior, del orden de 100 a 1, 000 veces más alto que los ánodos de silicio convencionales, cuando se agrega MXene.

"La red continua de nanohojas MXene no solo proporciona suficiente conductividad eléctrica y espacio libre para adaptarse al cambio de volumen, sino que también resuelve bien la inestabilidad mecánica del Si, "escriben". Por lo tanto, la combinación de tinta viscosa MXene y Si de alta capacidad demostrada aquí ofrece una técnica poderosa para construir nanoestructuras avanzadas con un rendimiento excepcional ".

Chuanfang Zhang, Doctor., investigador postdoctoral en Trinity y autor principal del estudio, también señala que la producción de los ánodos MXene, por fundición en lechada, es fácilmente escalable para la producción en masa de ánodos de cualquier tamaño, lo que significa que podrían abrirse camino hacia baterías que alimentan casi cualquiera de nuestros dispositivos.

"Teniendo en cuenta que ya se han registrado más de 30 MXenes, con más predicciones de existir, Ciertamente, hay mucho espacio para mejorar aún más el rendimiento electroquímico de los electrodos de la batería mediante la utilización de otros materiales de la gran familia MXene. " él dijo.