Las baterías de iones de litio están en todas partes, en teléfonos inteligentes, laptops, una variedad de otros productos electrónicos de consumo, y los coches eléctricos más nuevos. Buenos como son, podrían ser mucho mejores especialmente cuando se trata de rebajar el coste y ampliar la gama de coches eléctricos. Para hacer eso, las baterías necesitan almacenar mucha más energía.

El ánodo es un componente crítico para almacenar energía en baterías de iones de litio. Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Ha diseñado un nuevo tipo de ánodo que puede absorber ocho veces el litio de los diseños actuales. y ha mantenido su capacidad energética enormemente aumentada después de más de un año de pruebas y muchos cientos de ciclos de carga y descarga.

El secreto es un polímero hecho a medida que conduce la electricidad y se adhiere estrechamente a las partículas de silicio que almacenan litio. incluso cuando se expanden a más de tres veces su volumen durante la carga y luego se encogen nuevamente durante la descarga. Los nuevos ánodos están hechos de materiales de bajo costo, compatible con las tecnologías estándar de fabricación de baterías de litio. El equipo de investigación informa sus hallazgos en Materiales avanzados , ahora disponible en línea.

Expansión de alta capacidad

"Los materiales de ánodo de iones de litio de alta capacidad siempre se han enfrentado al desafío del cambio de volumen (hinchamiento) cuando los electrodos absorben litio, "dice Gao Liu de la División de Tecnologías de Energía Ambiental (EETD) de Berkeley Lab, miembro del programa BATT (Baterías para tecnologías de transporte avanzadas) administrado por el laboratorio y respaldado por la Oficina de tecnologías de vehículos del DOE.

Dice Liu, "La mayoría de las baterías de iones de litio actuales tienen ánodos de grafito, que es conductor de electricidad y se expande solo modestamente cuando aloja los iones entre sus capas de grafeno. El silicio puede almacenar 10 veces más - tiene, con mucho, la capacidad más alta entre los materiales de almacenamiento de iones de litio - pero aumenta a más de tres veces su volumen cuando está completamente cargado ".

Este tipo de hinchazón rompe rápidamente los contactos eléctricos en el ánodo, por lo que los investigadores se han concentrado en encontrar otras formas de utilizar el silicio manteniendo la conductividad del ánodo. Se han propuesto muchos enfoques; algunos son prohibitivamente costosos.

Un enfoque menos costoso ha sido mezclar partículas de silicio en un aglutinante polimérico flexible, con negro de carbón agregado a la mezcla para conducir la electricidad. Desafortunadamente, la hinchazón y la contracción repetidas de las partículas de silicio a medida que adquieren y liberan iones de litio eventualmente empujan las partículas de carbono agregadas. Lo que se necesita es un aglutinante flexible que pueda conducir la electricidad por sí mismo, sin el carbono añadido.

"La conducción de polímeros no es una idea nueva, "dice Liu, "pero los esfuerzos anteriores no han funcionado bien, porque no han tenido en cuenta el entorno reductor severo en el lado del ánodo de una batería de iones de litio, que convierte a la mayoría de polímeros conductores en aislantes ".

Uno de esos polímeros experimentales, llamado PAN (polianilina), tiene cargas positivas; comienza como un conductor pero rápidamente pierde conductividad. Un polímero conductor ideal debería adquirir fácilmente electrones, haciéndolo conductor en el ambiente reductor del ánodo.

La firma de un polímero prometedor sería uno con un valor bajo del estado llamado "orbital molecular desocupado más bajo, "donde los electrones pueden residir fácilmente y moverse libremente. Idealmente, los electrones se adquirirían de los átomos de litio durante el proceso de carga inicial. Liu y su becario postdoctoral Shidi Xun en EETD diseñaron una serie de tales polímeros conductores basados ​​en polifluoreno - PF para abreviar.

Cuando Liu habló sobre el excelente rendimiento de los PF con Wanli Yang de Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, surgió una colaboración científica para comprender los nuevos materiales. Yang sugirió realizar una espectroscopia de absorción de rayos X suave en los polímeros candidatos de Liu y Xun utilizando la línea de luz ALS 8.0.1 para determinar sus propiedades electrónicas clave.

Dice Yang, "Gao quería saber dónde están los iones y electrones y hacia dónde se mueven. La espectroscopia de rayos X suave tiene el poder de entregar exactamente este tipo de información crucial".

Comparado con la estructura electrónica de PAN, los espectros de absorción que Yang obtuvo para los PF se destacaron inmediatamente. Las diferencias fueron mayores en los PF que incorporan un grupo funcional carbono-oxígeno (carbonilo).

"Teníamos la evidencia experimental, "dice Yang, "pero para entender lo que estábamos viendo, y su relevancia para la conductividad del polímero, necesitábamos una explicación teórica, partiendo de los primeros principios ". Pidió a Lin-Wang Wang de la División de Ciencias de los Materiales (MSD) de Berkeley Lab que se uniera a la colaboración de investigación.

Wang y su becario postdoctoral, Nenad Vukmirovic, realizó cálculos ab initio de los polímeros prometedores en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del Laboratorio (NERSC). Wang dice:"El cálculo le dice lo que realmente está sucediendo, incluida la forma precisa en que los iones de litio se adhieren al polímero, y por qué el grupo funcional carbonilo añadido mejora el proceso. Fue bastante impresionante que los cálculos coincidieran tan bien con los experimentos ".

De hecho, la simulación reveló "lo que realmente está pasando" con el tipo de FP que incluye el grupo funcional carbonilo, y mostró por qué el sistema funciona tan bien. Los iones de litio interactúan primero con el polímero, y luego se unen a las partículas de silicio. Cuando un átomo de litio se une al polímero a través del grupo carbonilo, le da su electrón al polímero, un proceso de dopaje que mejora significativamente la conductividad eléctrica del polímero, facilitando el transporte de electrones e iones a las partículas de silicio.

Ciclismo para el éxito

Habiendo pasado por un ciclo de síntesis de materiales en EETD, análisis experimental en la ALS, y simulación teórica en MSD, los resultados positivos desencadenaron un nuevo ciclo de mejoras. Casi tan importantes como sus propiedades eléctricas son las propiedades físicas del polímero, a lo que Liu ahora agregó otro grupo funcional, produciendo un polímero que puede adherirse firmemente a las partículas de silicio a medida que adquieren o pierden iones de litio y experimentan cambios repetidos de volumen.

Microscopía electrónica de barrido y microscopía electrónica de transmisión en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM), mostrando los ánodos después de 32 ciclos de carga-descarga, confirmó que el polímero modificado se adhirió fuertemente durante el funcionamiento de la batería incluso cuando las partículas de silicio se expandieron y contrajeron repetidamente. Las pruebas en el ALS y las simulaciones confirmaron que las propiedades mecánicas agregadas no afectaron las propiedades eléctricas superiores del polímero.

"Sin el aporte de nuestros socios en ALS y en MSD, lo que se puede modificar y lo que no debería modificarse en la próxima generación de polímeros no habría sido obvio, "dice Vince Battaglia, Responsable de Programa del Departamento de Tecnologías Energéticas Avanzadas de EETD.

"Este logro proporciona un escaparate científico poco común, combinando herramientas avanzadas de síntesis, caracterización, y simulación en un enfoque novedoso para el desarrollo de materiales, "dice Zahid Hussain, el Adjunto de la División de ALS para el Apoyo Científico y el Líder del Grupo de Apoyo Científico. "El enfoque cíclico puede conducir al descubrimiento de nuevos materiales prácticos con una comprensión fundamental de sus propiedades".

La guinda del pastel del ánodo es que el nuevo ánodo basado en PF no solo es superior sino también económico. "Utilizando partículas de silicio comerciales y sin ningún aditivo conductor, nuestro ánodo compuesto exhibe el mejor rendimiento hasta ahora, "dice Gao Liu." Todo el proceso de fabricación es de bajo coste y compatible con las tecnologías de fabricación establecidas. El valor comercial del polímero ya ha sido reconocido por importantes empresas, y sus posibles aplicaciones se extienden más allá de los ánodos de silicio ".

Los ánodos son un componente clave de la tecnología de baterías de iones de litio, pero lejos de ser el único desafío. La colaboración en investigación ya está avanzando hacia el siguiente paso, estudiar otros componentes de la batería, incluidos los cátodos.