(Phys.org) - Durante más de una década, Los científicos han intentado mejorar las baterías de litio reemplazando el grafito en un terminal con silicio, que puede almacenar 10 veces más carga. Pero después de unos pocos ciclos de carga / descarga, la estructura de silicio se agrietaría y se desmoronaría, inutilizando la batería.

Ahora, un equipo dirigido por el científico de materiales Yi Cui de Stanford y SLAC ha encontrado una solución:una nanoestructura de doble pared inteligentemente diseñada que dura más de 6, 000 ciclos, mucho más de lo que necesitan los vehículos eléctricos o la electrónica móvil.

“Este es un avance muy emocionante hacia nuestro objetivo de crear baterías más ligeras y de mayor duración que las disponibles en la actualidad, —Dijo Cui. Los resultados fueron publicados el 25 de marzo en Nanotecnología de la naturaleza .

Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente para alimentar dispositivos desde vehículos eléctricos hasta dispositivos electrónicos portátiles porque pueden almacenar una cantidad relativamente grande de energía en un paquete relativamente liviano. La batería funciona controlando el flujo de iones de litio a través de un electrolito fluido entre sus dos terminales. llamado ánodo y cátodo.

La promesa, y el peligro, de usar silicio como ánodo en estas baterías proviene de la forma en que los iones de litio se unen al ánodo durante el ciclo de carga. Hasta cuatro iones de litio se unen a cada uno de los átomos en un ánodo de silicio, en comparación con solo uno por cada seis átomos de carbono en el ánodo de grafito actual, lo que le permite almacenar mucha más carga.

Sin embargo, también hincha el ánodo hasta cuatro veces su volumen inicial. Además, parte del electrolito reacciona con el silicio, recubriéndolo e inhibiendo la carga adicional. Cuando el litio sale del ánodo durante la descarga, el ánodo se contrae a su tamaño original y el revestimiento se agrieta, exponer silicio fresco al electrolito.

Dentro de unos pocos ciclos, la tensión de expansión y contracción, combinado con el ataque de electrolitos, destruye el ánodo mediante un proceso llamado "decrepitación".

En los últimos cinco años, El grupo de Cui ha mejorado progresivamente la durabilidad de los ánodos de silicio al fabricarlos con nanocables y luego con nanopartículas de silicio huecas. Su último diseño consiste en un nanotubo de silicio de doble pared recubierto con una fina capa de óxido de silicio, un material cerámico muy resistente.

Esta fuerte capa exterior evita que la pared exterior del nanotubo se expanda, por lo que permanece intacto. En lugar de, el silicio se hincha inofensivamente en el interior hueco, que también es demasiado pequeño para que entren las moléculas de electrolito. Después del primer ciclo de carga, funciona durante más de 6, 000 ciclos con un 85 por ciento de capacidad restante.

Cui dijo que la investigación futura tiene como objetivo simplificar el proceso de fabricación de nanotubos de silicio de doble pared. Otros en su grupo están desarrollando nuevos cátodos de alto rendimiento para combinarlos con el nuevo ánodo para formar una batería con cinco veces el rendimiento de la tecnología de iones de litio actual.

En 2008, Cui fundó una empresa, Amprius, que licenciaba los derechos de las patentes de Stanford para su tecnología de ánodo de nanocables de silicio. Su objetivo a corto plazo es producir una batería con el doble de densidad energética que las baterías de iones de litio actuales.