Esta es una ilustración de un nuevo electrodo de batería hecho de un compuesto de hidrogel y nanopartículas de silicio (Si NP). Cada Si NP está encapsulado en un recubrimiento de superficie de polímero conductor y conectado a una estructura de hidrogel tridimensional. Crédito:Yi Cui, Universidad Stanford
Los científicos de la Universidad de Stanford han mejorado drásticamente el rendimiento de las baterías de iones de litio mediante la creación de nuevos electrodos hechos de silicio e hidrogel de polímero conductor. un material esponjoso similar al utilizado en lentes de contacto y otros productos domésticos.
Escribiendo en la edición del 4 de junio de la revista. Comunicaciones de la naturaleza , los científicos describen una nueva técnica para producir a bajo costo, Baterías de silicona con aplicaciones potenciales para una amplia gama de dispositivos eléctricos.
"El desarrollo de baterías recargables de iones de litio con alta densidad de energía y un ciclo de vida prolongado es de vital importancia para abordar las crecientes necesidades de almacenamiento de energía para los dispositivos electrónicos portátiles, vehículos eléctricos y otras tecnologías, "dijo el coautor del estudio, Zhenan Bao, profesor de ingeniería química en Stanford.
Para encontrar una práctica, material económico que aumenta la capacidad de almacenamiento de las baterías de iones de litio, Bao y sus colegas de Stanford recurrieron al silicio, un abundante, elemento ambientalmente benigno con propiedades electrónicas prometedoras.
"Llevamos varios años intentando desarrollar electrodos a base de silicio para baterías de iones de litio de alta capacidad, "dijo el coautor del estudio, Yi Cui, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford. "El silicio tiene 10 veces la capacidad de almacenamiento de carga del carbono, el material convencional utilizado en electrodos de iones de litio. El problema es que el silicio se expande y se rompe ".
Los estudios han demostrado que las partículas de silicio pueden experimentar una expansión de volumen del 400 por ciento cuando se combinan con litio. Cuando la batería está cargada o descargada, las partículas hinchadas tienden a fracturarse y perder el contacto eléctrico. Para superar estas limitaciones técnicas, El equipo de Stanford utilizó una técnica de fabricación llamada polimerización de síntesis in situ que recubre las nanopartículas de silicio dentro del hidrogel conductor.
Esta técnica permitió a los científicos crear una batería de iones de litio estable que conservaba una alta capacidad de almacenamiento a través de 5, 000 ciclos de carga y descarga.
Los científicos de Stanford utilizaron un proceso de fabricación de baterías para crear nuevos electrodos de silicio / hidrogel. Las nanopartículas de silicio se dispersaron en una solución de hidrogel rojo, formando un gel de color verde oscuro que se colocó en un colector de corriente de lámina de cobre y se secó. Crédito:Yi Cui, Universidad Stanford
"Atribuimos la excepcional estabilidad electroquímica de la batería a la arquitectura única a nanoescala del electrodo compuesto de silicio, "Dijo Bao.
Usando un microscopio electrónico de barrido, Los científicos descubrieron que la matriz de hidrogel porosa está plagada de espacios vacíos que permiten que las nanopartículas de silicio se expandan cuando se inserta litio. Esta matriz también forma una red tridimensional que crea una vía de conducción electrónica durante la carga y descarga.
"Resulta que el hidrogel tiene sitios de unión que se adhieren muy bien a las partículas de silicio y al mismo tiempo proporcionan canales para el transporte rápido de electrones e iones de litio". "explicó Cui, investigador principal del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía en el Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC. "Eso hace una combinación muy poderosa".
Una simple mezcla de hidrogel y silicio demostró ser mucho menos eficaz que la técnica de polimerización por síntesis in situ. "Hacer primero el hidrogel y luego mezclarlo con las partículas de silicio no funcionó bien, "Dijo Bao." Se requirió un paso adicional que en realidad redujo el rendimiento de la batería. Con nuestra técnica, cada nanopartícula de silicio está encapsulada dentro de un recubrimiento de superficie de polímero conductor y está conectada a la estructura de hidrogel. Eso mejora la estabilidad general de la batería ".
El hidrogel se compone principalmente de agua, lo que puede hacer que las baterías de iones de litio se enciendan, un problema potencial que el equipo de investigación tuvo que abordar. "Utilizamos la propiedad de red tridimensional del hidrogel en el electrodo, pero en la fase de producción final, se quitó el agua, "Dijo Bao." No quieres agua dentro de una batería de iones de litio ".
Aunque quedan varios problemas técnicos, Cui es optimista sobre las posibles aplicaciones comerciales de la nueva técnica para crear electrodos hechos de silicio y otros materiales.
"El proceso de fabricación de electrodos utilizado en el estudio es compatible con la tecnología de fabricación de baterías existente, ", dijo." El silicio y el hidrogel también son económicos y están ampliamente disponibles. Estos factores podrían permitir que los electrodos compuestos de silicio de alto rendimiento se amplíen para fabricar la próxima generación de baterías de iones de litio. Es un enfoque muy simple que ha dado lugar a un resultado muy poderoso ".
