El silicio es el segundo elemento más abundante en la tierra y constituye un considerable 27,7% por ciento de la corteza terrestre. Además de su capacidad para crear playas de arena y cristales transparentes, el silicio también tiene el potencial para fabricar baterías de iones metálicos altamente eficientes.

En un mundo donde los dispositivos de almacenamiento de energía alternativa, como las baterías de iones de litio, están cobrando impulso, existe la necesidad de aprovechar la excelente capacidad de energía específica del silicio como material de electrodo. La aplicación comercial de materiales de electrodos a base de silicio a menudo se ve obstaculizada debido a dos razones principales:1) la falta de estabilidad mecánica que surge de la expansión de volumen incontrolada tras la litiación, el proceso de combinación con un ion de litio, y 2) el rápido desvanecimiento de la energía causado por la formación de formación de interfaz de electrodo sólido (SEI) inestable.

A lo largo de los años, los científicos han desarrollado varios materiales de ánodo o electrodos negativos basados ​​en silicio avanzados para superar los problemas antes mencionados. Los más destacados entre ellos son los nanomateriales de silicio. Sin embargo, los nanomateriales de silicio vienen con ciertas desventajas, como una gran brecha entre la oferta y la demanda, un proceso de síntesis difícil y costoso y, lo que es más importante, una amenaza de agotamiento rápido de la batería.

Ahora, un grupo de investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) dirigido por el Prof. Noriyoshi Matsumi propone una solución a estos problemas que afectan a las micropartículas de silicio (SiMP). En su estudio publicado en Journal of Materials Chemistry A el 18 de julio de 2022, el equipo informó sobre un enfoque holístico para sintetizar nuevos SiMP altamente resistentes que consisten en vidrios negros (oxicarburo de silicio) injertados de silicio como material de ánodo para baterías de iones de litio. El equipo de investigación incluyó a Ravi Nandan, investigador asociado, Noriyuki Takamori, estudiante del curso de doctorado, Koichi Higashimine, especialista técnico, y el Dr. Rajashekar Badam, ex profesor titular de JAIST.

"Las nanopartículas de silicio pueden proporcionar una mayor área de superficie efectiva, pero eso tiene sus propios inconvenientes, como un mayor consumo de electrolitos y una eficiencia coulombica inicial deficiente después de algunos ciclos de carga y descarga. Los SiMP son los más apropiados, de bajo costo y fácilmente disponibles. alternativas, especialmente cuando se combinan con materiales que tienen propiedades estructurales excepcionales, como los vidrios negros de oxicarburo de silicio. Nuestro material no solo tiene un alto rendimiento, sino que también conduce a oportunidades de escala", explicó el profesor Matsumi cuando se le preguntó sobre la justificación del estudio.

El equipo diseñó un material de tipo núcleo-carcasa en el que el núcleo estaba hecho de SiMP recubierto con una capa de carbono y luego se injertaron vidrios negros de oxicarburo de silicio como capa de la carcasa. Luego, los materiales preparados se usaron en una configuración de media celda anódica para probar su capacidad para almacenar litio de manera reversible bajo diferentes ventanas potenciales. Esta evaluación mostró que el material tiene una gran capacidad de difusión de litio, resistencia interna reducida y expansión volumétrica general. Las propiedades electroquímicas superiores de este nuevo material se establecieron aún más por el 99,4 % de capacidad de retención de energía incluso después de 775 ciclos de carga y descarga. Además de las capacidades superlativas de almacenamiento de energía, el material también exhibió una gran estabilidad mecánica durante todo el proceso de prueba.

Los resultados indican claramente la superioridad de los nuevos materiales de ánodo activo basados ​​en SiMP. De hecho, estos materiales han abierto nuevos caminos para la aplicación de silicio en baterías secundarias de iones de litio de próxima generación. La capacidad de ampliación de escala de este proceso de síntesis puede ayudar a cerrar la brecha entre la investigación de laboratorio y las aplicaciones industriales en el campo del almacenamiento de energía. Esto es particularmente importante para producir vehículos eléctricos de bajo costo, que pueden reducir significativamente las emisiones de carbono. El Prof. Matsumi destaca esta importante aplicación de su estudio al decir que "nuestra metodología ofrece una vía eficaz para el desarrollo de materiales de ánodo de alto rendimiento para baterías de iones de litio de bajo consumo, que es un componente esencial para crear un sistema sostenible y de bajo costo". carbono mañana". + Explora más

Una metodología simple para la síntesis de nuevos materiales anódicos basados ​​en nanopartículas de β-SiC para baterías de iones de litio