(Phys.org) —Los investigadores de la Universidad de Rice han refinado la tecnología de iones de litio basada en silicio aplastando literalmente su trabajo anterior para hacer un Material de ánodo de larga duración y bajo costo con un gran potencial comercial para baterías de litio recargables.

El equipo dirigido por la ingeniera Rice Sibani Lisa Biswal y el científico investigador Madhuri Thakur informó en Naturaleza diario de acceso abierto Informes científicos en la creación de un ánodo a base de silicio, el electrodo negativo de una batería, que alcanza fácilmente 600 ciclos de carga-descarga a 1, 000 miliamperios hora por gramo (mAh / g). Esta es una mejora significativa con respecto a la capacidad de 350 mAh / g de los ánodos de grafito actuales.

Eso lo coloca directamente en el ámbito de la tecnología de baterías de próxima generación que compite para reducir el costo y ampliar la gama de vehículos eléctricos.

El nuevo trabajo de Rice a través del Centro de Excelencia de Nanotecnología Avanzada Lockheed Martin en Rice (LANCER) es el siguiente y más grande paso lógico desde que los socios comenzaron a investigar las baterías hace cuatro años.

"Anteriormente informamos sobre la fabricación de películas de silicio porosas, "dijo Biswal, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular. "Hemos estado buscando pasar de la geometría de la película a algo que se pueda transferir fácilmente al proceso actual de fabricación de baterías. Madhuri tritura la película de silicio poroso para formar partículas de silicio poroso, un polvo que los fabricantes de baterías pueden adoptar fácilmente ".

El silicio puede contener 10 veces más iones de litio que el grafito que se usa comúnmente en los ánodos en la actualidad. Pero hay un problema:el silicio triplica su volumen cuando está completamente litiado. Cuando se repite, esta hinchazón y encogimiento hace que el silicio se descomponga rápidamente.

Muchos investigadores han estado trabajando en estrategias para hacer que el silicio sea más adecuado para el uso de baterías. Los científicos de Rice y otros lugares han creado silicio nanoestructurado con una alta relación superficie / volumen, lo que permite que el silicio se adapte a una expansión de volumen mayor. Biswal, el autor principal Thakur y el coautor Michael Wong, profesor de ingeniería química y biomolecular y de química, intentó el enfoque opuesto; grabaron poros en obleas de silicio para dar espacio al material para expandirse. A principios de este año, habían avanzado para hacer películas de silicona con forma de esponja que se mostraban aún más prometedoras.

Pero incluso esas películas representaban un problema para los fabricantes, Thakur dijo. "No son fáciles de manejar y sería difícil ampliarlos". Pero al triturar las esponjas en granos porosos, el material gana mucha más superficie para absorber los iones de litio.

Biswal levantó dos viales, uno con 50 miligramos de silicio triturado, los otros 50 miligramos de polvo de silicio poroso. La diferencia entre ellos era obvia. "La superficie de nuestro material es de 46 metros cuadrados por gramo, ", dijo." El silicio triturado es de 0,71 metros cuadrados por gramo. Entonces nuestras partículas tienen más de 50 veces el área de superficie, lo que nos da una mayor superficie de litiación, con mucho espacio vacío para acomodar la expansión. "El polvo de silicio poroso se mezcla con un aglutinante, poliacrilonitrilo pirolizado (PAN), que ofrece soporte conductivo y estructural.

"Como un polvo, se pueden utilizar en el procesamiento de rollo a rollo a gran escala por la industria, "Thakur dijo." El material es muy simple de sintetizar, rentable y ofrece una gran capacidad energética durante un gran número de ciclos ".

"Este trabajo muestra lo importante y útil que es poder controlar los poros internos y el tamaño externo de las partículas de silicio, "Dijo Wong.

En experimentos recientes, Thakur diseñó una batería de media celda con metal de litio como contraelectrodo y fijó la capacidad del ánodo en 1, 000 mAh / g. Eso era solo alrededor de un tercio de su capacidad teórica, pero tres veces mejor que las baterías actuales. Los ánodos duraron 600 ciclos de carga y descarga a una tasa C / 2 (dos horas para cargar y dos horas para descargar). Otro ánodo continúa su ciclo a una tasa de C / 5 (carga de cinco horas y descarga de cinco horas) y se espera que permanezca en 1, 000 mAh / g durante más de 700 ciclos.

"Este esfuerzo exitoso entre Rice University y Lockheed Martin Mission Systems and Sensors proporcionará una mejora significativa en la tecnología de baterías mediante el desarrollo de esta técnica de fabricación económica para material de ánodo de silicio, "dijo Steven Sinsabaugh, un miembro de Lockheed Martin que trabaja con LANCER y coautor del artículo junto con el investigador de Lockheed Martin, Mark Isaacson. "Estamos realmente entusiasmados con este avance y estamos ansiosos por hacer la transición de esta tecnología al mercado comercial".

"El siguiente paso será probar este polvo de silicio poroso como ánodo en una batería llena, ", Dijo Biswal." Nuestros resultados preliminares con óxido de cobalto como cátodo parecen muy prometedores, y hay nuevos materiales de cátodos que nos gustaría investigar ".