Una nueva estructura de ánodo de alto rendimiento basada en materiales nanocompuestos de silicio-carbono podría mejorar significativamente el rendimiento de las baterías de iones de litio utilizadas en una amplia gama de aplicaciones, desde vehículos híbridos hasta productos electrónicos portátiles.

Producido con una técnica de autoensamblaje "de abajo hacia arriba", la nueva estructura aprovecha la nanotecnología para afinar las propiedades de sus materiales, abordar las deficiencias de los ánodos de batería anteriores basados ​​en silicio. Lo simple, La técnica de fabricación de bajo costo se diseñó para ampliarse fácilmente y ser compatible con la fabricación de baterías existente.

Los detalles del nuevo enfoque de autoensamblaje se publicaron en línea en la revista. Materiales de la naturaleza el 14 de marzo.

"El desarrollo de un enfoque novedoso para producir partículas jerárquicas de ánodo o cátodo con propiedades controladas abre la puerta a muchas direcciones nuevas para la tecnología de baterías de iones de litio, "dijo Gleb Yushin, profesor asistente en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Este es un paso significativo hacia la producción comercial de materiales de ánodos basados ​​en silicio para baterías de iones de litio".

Las populares y livianas baterías funcionan transfiriendo iones de litio entre dos electrodos, un cátodo y un ánodo, a través de un electrolito líquido. Cuanto más eficientemente puedan entrar los iones de litio en los dos electrodos durante los ciclos de carga y descarga, mayor será la capacidad de la batería.

Las baterías de iones de litio existentes se basan en ánodos hechos de grafito, una forma de carbono. Los ánodos a base de silicio ofrecen teóricamente una mejora de diez veces la capacidad sobre el grafito, pero los ánodos basados ​​en silicio hasta ahora no han sido lo suficientemente estables para un uso práctico.

Los ánodos de grafito utilizan partículas que varían en tamaño de 15 a 20 micrones. Si las partículas de silicio de ese tamaño simplemente se sustituyen por el grafito, La expansión y contracción a medida que los iones de litio entran y salen del silicio crean grietas que rápidamente hacen que el ánodo falle.

El nuevo material nanocompuesto resuelve ese problema de degradación, potencialmente permitiendo a los diseñadores de baterías aprovechar las ventajas de capacidad del silicio. Eso podría facilitar una mayor salida de energía de un tamaño de batería dado, o permitir que una batería más pequeña produzca la cantidad de energía requerida.

"A nanoescala, podemos ajustar las propiedades de los materiales con mucha mejor precisión que con las escalas de tamaño tradicionales, ", dijo Yushin." Este es un ejemplo de cómo tener técnicas de fabricación a nanoescala conduce a mejores materiales ".

Las mediciones eléctricas de los nuevos ánodos compuestos en pequeñas pilas de botón mostraron que tenían una capacidad cinco veces mayor que la capacidad teórica del grafito.

La fabricación del ánodo compuesto comienza con la formación de estructuras ramificadas altamente conductoras, similares a las ramas de un árbol, hechas de nanopartículas de negro de humo recocidas en un horno de tubo de alta temperatura. Luego, se forman nanoesferas de silicio con diámetros de menos de 30 nanómetros dentro de las estructuras de carbono mediante un proceso de deposición de vapor químico. Las estructuras compuestas de silicio-carbono se asemejan a "manzanas que cuelgan de un árbol".

Usando carbón grafítico como aglutinante conductor de electricidad, los compuestos de silicio-carbono luego se autoensamblan en esferas rígidas que se han abierto, canales de poros internos interconectados. Las esferas formados en tamaños que van desde 10 a 30 micrones, se utilizan para formar ánodos de batería. El tamaño relativamente grande del polvo compuesto, mil veces más grande que las nanopartículas de silicio individuales, permite un fácil procesamiento del polvo para la fabricación del ánodo.

Los canales internos en las esferas de silicio-carbono tienen dos propósitos. Admiten electrolito líquido para permitir la entrada rápida de iones de litio para una carga rápida de la batería. y proporcionan espacio para acomodar la expansión y contracción del silicio sin agrietar el ánodo. Los canales internos y las partículas a escala nanométrica también proporcionan trayectos cortos de difusión de litio hacia el ánodo, aumentar las características de energía de la batería.

El tamaño de las partículas de silicio está controlado por la duración del proceso de deposición de vapor químico y la presión aplicada al sistema de deposición. El tamaño de las ramas de la nanoestructura de carbono y el tamaño de las esferas de silicio determinan el tamaño de los poros en el material compuesto.

La producción de compuestos de silicio-carbono podría ampliarse como un proceso continuo susceptible de fabricación de polvo de volumen ultra alto. Dijo Yushin. Debido a que las esferas compuestas finales son relativamente grandes cuando se fabrican en ánodos, la técnica de autoensamblaje evita los riesgos potenciales para la salud de la manipulación de polvos a nanoescala, añadió.

Una vez fabricado, los ánodos de nanocompuestos se utilizarían en baterías al igual que las estructuras de grafito convencionales. Eso permitiría a los fabricantes de baterías adoptar el nuevo material de ánodo sin realizar cambios drásticos en los procesos de producción.

Hasta aquí, los investigadores han probado el nuevo ánodo a través de más de cien ciclos de carga y descarga. Yushin cree que el material se mantendrá estable durante miles de ciclos porque no se han hecho evidentes mecanismos de degradación.

"Si esta tecnología puede ofrecer un costo menor en función de la capacidad, o más ligero en comparación con las técnicas actuales, esto ayudará a avanzar en el mercado de las baterías de litio, ", dijo." Si somos capaces de producir baterías menos costosas que duren mucho tiempo, esto también podría facilitar la adopción de muchas tecnologías 'verdes', como vehículos eléctricos o células solares ".