Los poros microscópicos salpican una oblea de silicio preparada para su uso en una batería de iones de litio. El silicio tiene un gran potencial para aumentar la capacidad de almacenamiento de las baterías, y los poros lo ayudan a expandirse y contraerse a medida que el litio se almacena y se libera. (Crédito:Biswal Lab / Rice University)
Un equipo de científicos de la Universidad Rice y Lockheed Martin ha descubierto una forma de utilizar silicio simple para aumentar radicalmente la capacidad de las baterías de iones de litio.
Sibani Lisa Biswal, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular, reveló cómo ella, colega Michael Wong, profesor de ingeniería química y biomolecular y de química, y Steven Sinsabaugh, un miembro de Lockheed Martin, están mejorando la capacidad inherente del silicio para absorber iones de litio.
Su trabajo fue presentado hoy en Rice's Buckyball Discovery Conference, parte de una celebración de un año del 25 aniversario del descubrimiento del buckminsterfullereno, ganador del Premio Nobel, o carbono 60, molécula. ( PhysOrg.com es un patrocinador de medios oficial del evento. ). Podría convertirse en un componente clave para las baterías de automóviles eléctricos y el almacenamiento de energía de gran capacidad, ellos dijeron.
"El ánodo, o negativo, lado de las baterías de hoy está hecho de grafito, que funciona. Está en todas partes, "Dijo Wong." Pero está al máximo. No se puede agregar más litio al grafito del que ya tenemos ".
El silicio tiene la capacidad teórica más alta de cualquier material para almacenar litio, pero hay un serio inconveniente en su uso. "Puede absorber mucho litio, unas 10 veces más que el carbono, que parece fantástico, ", Dijo Wong." Pero después de un par de ciclos de hinchazón y encogimiento, se va a romper ".
Una vista lateral de poros microscópicos en silicio. (Crédito:Biswal Lab / Rice University)
Otros laboratorios han intentado resolver el problema con alfombras de nanocables de silicio que absorben el litio como una fregona absorbe el agua. pero el equipo de Rice tomó un rumbo diferente.
Con Mahduri Thakur, investigador postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Rice, y Mark Isaacson de Lockheed Martin, Biswal, Wong y Sinsabaugh descubrieron que colocar poros del tamaño de un micrón en la superficie de una oblea de silicio le da al material suficiente espacio para expandirse. Mientras que las baterías comunes de iones de litio contienen aproximadamente 300 miliamperios hora por gramo de material de ánodo a base de carbono, determinaron que el silicio tratado teóricamente podría almacenar más de 10 veces esa cantidad.
Sinsabaugh describió el avance como uno de los primeros frutos del Centro de Excelencia de Nanotecnología Avanzada Lockheed Martin en Rice (LANCER). Dijo que el proyecto comenzó hace tres años cuando conoció a Biswal en Rice y comparó notas. "Ella estaba trabajando en silicio poroso, y sabía que se estaban buscando nanoestructuras de silicio en busca de ánodos de batería. Ponemos dos y dos juntos " él dijo.
Los nanoporos son más simples de crear que los nanocables de silicio, Dijo Biswal. Los poros una micra de ancho y de 10 a 50 micras de largo, forma cuando se aplica carga positiva y negativa a los lados de una oblea de silicio, que luego se baña en un solvente fluorhídrico. "Los átomos de hidrógeno y fluoruro se separan, ", dijo." El flúor ataca un lado del silicio, formando los poros. Se forman verticalmente debido al sesgo positivo y negativo ".
El silicio tratado, ella dijo, "Parece queso suizo".
El proceso sencillo lo hace altamente adaptable para la fabricación, ella dijo. "No requerimos algunos de los pasos de procesamiento difíciles que hacen:los altos vacíos y tener que lavar los nanotubos. El grabado a granel es mucho más simple de procesar.
"La otra ventaja es que hemos tenido una vida útil bastante larga. Nuestras baterías actuales tienen 200-250 ciclos, mucho más que las baterías de nanocables, "dijo Biswal.
Dijeron que poner poros en el silicio requiere un verdadero acto de equilibrio, cuanto más espacio se dedica a los agujeros, menos material hay disponible para almacenar litio. Y si el silicio se expande hasta el punto donde las paredes de los poros se tocan, el material podría degradarse.
Los investigadores confían en que los abundante silicio combinado con la facilidad de fabricación podría ayudar a impulsar su idea a la corriente principal.
"Estamos muy entusiasmados con el potencial de este trabajo, "Sinsabaugh dijo." Este material tiene el potencial de aumentar significativamente el rendimiento de las baterías de iones de litio, que se utilizan en una amplia gama de comerciales, aplicaciones militares y aeroespaciales
Biswal y Wong planean estudiar el mecanismo por el cual el silicio absorbe el litio y cómo y por qué se degrada. "Nuestro objetivo es desarrollar un modelo de la tensión que sufre el silicio en el ciclo del litio, ", Dijo Wong." Una vez que entendamos eso, tendremos una idea mucho mejor de cómo maximizar su potencial ".
