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  • Los electrodos de silicio-carbono se rompen, hinchar, no pop

    Esta imagen compuesta muestra un electrodo de nanofibras de silicio-carbono antes (izquierda) y después (derecha) de ser cargado con iones de litio. Crédito:Chongmin Wang

    Un estudio que examina un nuevo tipo de electrodo nanocompuesto de silicio-carbono revela detalles de cómo funcionan y cómo el uso repetido podría desgastarlos. El estudio también proporciona pistas sobre por qué este material funciona mejor que el silicio solo. Con una capacidad eléctrica cinco veces mayor que los electrodos de batería de litio convencionales, Los electrodos nanocompuestos de silicio-carbono podrían conducir a una mayor duración, Baterías recargables más económicas para vehículos eléctricos.

    Publicado en línea en la revista Nano letras la semana pasada, el estudio incluye videos de los electrodos que se cargan a una resolución de escala nanométrica. Verlos en uso puede ayudar a los investigadores a comprender las fortalezas y debilidades del material.

    "Los electrodos se expanden a medida que se cargan, y que acorta la vida útil de la batería, ", dijo el investigador principal, Chongmin Wang, del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. Queremos aprender cómo mejorar su esperanza de vida, porque los electrodos de nanofibras de silicio-carbono tienen un gran potencial para las baterías recargables ".

    Mas menos

    El silicio tiene ventajas y desventajas para su uso como material de batería. Tiene una alta capacidad de almacenamiento de energía, por lo que puede asumir una carga considerable. El problema del silicio aunque, es que se hincha cuando se carga, expandiéndose hasta 3 veces su tamaño descargado. Si los electrodos de silicona están empaquetados firmemente en una batería, esta expansión puede hacer que las baterías exploten. Algunos investigadores están explorando electrodos de tamaño nanométrico que funcionan mejor en confines tan estrechos.

    Un grupo de instituciones múltiples liderado por Wang de PNNL decidió probar electrodos de tamaño nanométrico que consisten en nanofibras de carbono recubiertas con silicio. La alta conductividad del carbono, que deja fluir la electricidad, complementa muy bien la alta capacidad del silicio, que lo almacena.

    Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE en Oak Ridge, Tenn., Applied Sciences Inc. en Cedarville, Ohio, y el Centro Global de I + D de General Motors en Warren, Michigan creó nanofibras de carbono con una fina capa de silicio envuelta. Proporcionaron los electrodos al equipo de PNNL para sondear su comportamiento mientras funcionaban.

    Primero, Wang y sus colegas probaron cuánto litio podían contener los electrodos y cuánto duraron colocándolos en una pequeña batería de prueba llamada media celda. Después de 100 ciclos de carga y descarga, los electrodos aún mantenían una muy buena capacidad de aproximadamente 1000 miliamperios-hora por gramo de material, de cinco a diez veces la capacidad de los electrodos convencionales en baterías de iones de litio.

    El silicio (borde de color claro) de este electrodo de nanofibras de carbono recubierto de silicio (sección central oscura) se hincha a medida que se carga con iones de litio con un gran aumento. Un poco más de 200 nanómetros de ancho, El borde exterior del electrodo de iones de silicio y litio cristaliza y aparece ondulado y brillante a medida que el material cristalino cambia el reflejo de la luz. Crédito:Chongmin Wang

    Aunque se desempeñaron bien, el equipo sospechaba que la expansión y contracción del silicio podría ser un problema para la longevidad de la batería, ya que el estiramiento tiende a desgastar las cosas. Para determinar qué tan bien soportan los electrodos el estiramiento repetido, Wang hizo estallar un batería diminuta en un microscopio electrónico de transmisión, que puede ver objetos de nanómetros de ancho, en EMSL de DOE, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales en el campus de la PNNL.

    Hicieron zoom en el electrodo de la pequeña batería usando un nuevo microscrope que fue financiado por la Ley de Recuperación. Este microscopio permitió al equipo estudiar el electrodo en uso, y tomaron imágenes y videos mientras se cargaba y descargaba la pequeña batería.

    No de cristal

    Trabajos anteriores han demostrado que la carga hace que los iones de litio fluyan hacia el silicio. En este estudio, los iones de litio fluyeron hacia la capa de silicio a lo largo de la nanofibra de carbono a una velocidad de aproximadamente 130 nanómetros por segundo. Esto es aproximadamente 60 veces más rápido que el silicio solo, sugiriendo que el carbono subyacente mejora la velocidad de carga del silicio.

    Como se esperaba, la capa de silicio se hinchó aproximadamente en un 300 por ciento a medida que entraba el litio. Sin embargo, la combinación del soporte de carbono y la calidad no estructurada del silicio permitió que se hinchara de manera uniforme. Esto se compara favorablemente con el silicio solo, que se hincha de manera desigual, causando imperfecciones.

    Además de la hinchazón, Se sabe que el litio causa otros cambios en el silicio. La combinación de litio y silicio forma inicialmente una estructura no estructurada capa vidriosa. Luego, cuando la relación de litio a silicio llega a 15 a 4, la capa vítrea cristaliza rápidamente, como ha demostrado el trabajo previo de otros investigadores.

    Wang y sus colegas examinaron el proceso de cristalización en el microscopio para comprenderlo mejor. En el video del microscopio, pudieron ver el avance de la cristalización a medida que el litio llenaba el silicio y alcanzaba la proporción de 15 a 4.

    Descubrieron que esta cristalización es diferente de la forma clásica en que cristalizan muchas sustancias, que se construye desde un punto de partida. Bastante, la capa de litio y silicio se rompió en un cristal de una vez cuando la proporción alcanzó precisamente 15 a 4. Los análisis computacionales de esta cristalización verificaron su naturaleza ágil, un tipo de cristalización conocido como transición de fase congruente.

    Pero la cristalización no fue permanente. Al descargar, el equipo descubrió que la capa de cristal se volvió vidriosa nuevamente, a medida que la concentración de litio caía al salir del silicio.

    Para determinar si el uso repetido dejó su marca en el electrodo, el equipo cargó y descargó la pequeña batería 4 veces. Comparando la misma región del electrodo entre la primera y la cuarta carga, el equipo vio que la superficie se volvía rugosa, similar a una carretera con baches.

    Los cambios en la superficie probablemente se debieron a que los iones de litio dejaron un poco de daño a su paso al descargarse, dijo Wang. "Podemos ver que la superficie del electrodo pasa de suave a rugosa a medida que lo cargamos y descargamos. Pensamos que mientras gira, ocurren pequeños defectos, y los defectos se acumulan ".

    Pero el hecho de que la capa de silicio sea muy fina la hace más duradera que el silicio más grueso. En silicio espeso, los agujeros que dejan los iones de litio pueden unirse para formar grandes cavidades. "En el diseño actual, porque el silicio es tan fino, no tienes caries más grandes, al igual que pequeñas burbujas de gas en aguas poco profundas suben a la superficie. Si el agua es profunda las burbujas se juntan y forman burbujas más grandes ".

    En el trabajo futuro, Los investigadores esperan explorar el grosor de la capa de silicio y qué tan bien se une con el carbono subyacente para optimizar el rendimiento y la vida útil de los electrodos.


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