Un nuevo electrodo de batería presenta nanopartículas de silicio agrupadas como semillas de granada en una cáscara de carbono resistente. (Este es un concepto artístico, no representativo de la batería real.) Crédito:Greg Stewart / SLAC
con nanopartículas de silicio agrupadas como semillas en una cáscara de carbono resistente, supera varios obstáculos restantes para el uso de silicio para una nueva generación de baterías de iones de litio, dicen sus inventores en la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía.
"Si bien quedan algunos desafíos, este diseño nos acerca al uso de ánodos de silicio en baterías más ligeras y potentes para productos como teléfonos móviles, tabletas y coches eléctricos, "dijo Yi Cui, un profesor asociado en Stanford y SLAC que dirigió la investigación, informó hoy en Nanotecnología de la naturaleza .
"Los experimentos demostraron que nuestro ánodo inspirado en la granada funciona al 97 por ciento de su capacidad incluso después de 1, 000 ciclos de carga y descarga, lo que lo coloca dentro del rango deseado para operaciones comerciales ".
El ánodo o electrodo negativo, es donde se almacena la energía cuando se carga una batería. Los ánodos de silicio podrían almacenar 10 veces más carga que los ánodos de grafito en las baterías recargables de iones de litio actuales. pero también tienen grandes inconvenientes:el silicio quebradizo se hincha y se deshace durante la carga de la batería, y reacciona con el electrolito de la batería para formar una mugre que recubre el ánodo y degrada su rendimiento.
Durante los últimos ocho años, El equipo de Cui ha abordado el problema de rotura mediante el uso de nanocables o nanopartículas de silicio que son demasiado pequeñas para romperse en trozos aún más pequeños y encerrando las nanopartículas en "cáscaras de yema" de carbono que les dan espacio para hincharse y encogerse durante la carga.
Izquierda:nanopartículas de silicio envueltas en "cáscaras de yema" de carbono y agrupadas como semillas en una granada. Cada grupo tiene una corteza de carbono que lo mantiene unido, conduce la electricidad y minimiza las reacciones con el electrolito de la batería que pueden degradar el rendimiento. Crédito:Nian Liu, Zhenda Lu y Yi Cui / Stanford
El nuevo estudio se basa en ese trabajo. El estudiante de posgrado Nian Liu y la investigadora postdoctoral Zhenda Lu utilizaron una técnica de microemulsión común en el aceite, industrias de pintura y cosmética para reunir las cáscaras de yema de silicio en grupos, y recubrió cada racimo con un segundo, capa más gruesa de carbono. Estas cáscaras de carbono mantienen unidos los racimos de granada y proporcionan una carretera resistente para las corrientes eléctricas.
Y dado que cada racimo de granadas tiene solo una décima parte del área de superficie de las partículas individuales en su interior, un área mucho más pequeña está expuesta al electrolito, reduciendo así la cantidad de suciedad que se forma a un nivel manejable.
Aunque los grupos son demasiado pequeños para verlos individualmente, juntos forman un polvo negro fino que se puede utilizar para recubrir un trozo de papel de aluminio y formar un ánodo. Las pruebas de laboratorio demostraron que los ánodos de granada funcionaban bien cuando se fabricaban con el grosor necesario para el rendimiento de las baterías comerciales.
Al controlar con precisión el proceso utilizado para hacerlos, Los investigadores de Stanford y SLAC pueden producir racimos de granadas de un tamaño específico para ánodos de baterías de silicio. Crédito:Nian Liu, Zhenda Lu y Yi Cui / Stanford
Si bien estos experimentos muestran que la técnica funciona, Cui dijo, el equipo tendrá que resolver dos problemas más para hacerlo viable a escala comercial:necesitan simplificar el proceso y encontrar una fuente más barata de nanopartículas de silicio. Una posible fuente son las cáscaras de arroz:no son aptas para la alimentación humana, producido por millones de toneladas y 20 por ciento de dióxido de silicio en peso. Según Liu, podrían transformarse en nanopartículas de silicio puro con relativa facilidad, como lo describió recientemente su equipo en Scientific Reports.
"Para mí es muy emocionante ver cuánto hemos progresado en los últimos siete u ocho años, "Cui dijo, "y cómo hemos resuelto los problemas uno por uno".
