Imágenes de microscopio electrónico de barrido de (a) nanofibras de SiO2 después del secado, (b) nanofibras de SiO2 con gran aumento (c) nanofibras de silicio después del grabado, y (d) nanofibras de silicio con gran aumento.
Investigadores de la Universidad de California, El Bourns College of Engineering de Riverside ha desarrollado un novedoso material similar al papel para baterías de iones de litio. Tiene el potencial de aumentar varias veces la energía específica, o cantidad de energía que se puede entregar por unidad de peso de la batería.
Este material similar al papel está compuesto de nanofibras de silicio esponjosas más de 100 veces más finas que el cabello humano. Podría usarse en baterías para vehículos eléctricos y electrónica personal.
Los hallazgos se acaban de publicar en un artículo, "Hacia electrodos escalables sin aglutinantes:papel de nanofibras de silicio recubierto de carbono mediante reducción de magnesio de nanofibras de SiO2 electrohiladas, "en el diario Informes científicos de la naturaleza . Los autores fueron Mihri Ozkan, profesor de ingeniería eléctrica e informática, Cengiz S. Ozkan, un profesor de ingeniería mecánica, y seis de sus estudiantes de posgrado:Zach Favors, Bahía de Hamed Hosseini, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed, Robert Ionescu y Rachel Ye.
Las nanofibras se produjeron mediante una técnica conocida como electrohilado, donde 20, 000 a 40, Se aplican 000 voltios entre un tambor giratorio y una boquilla, que emite una solución compuesta principalmente por tetraetil ortosilicato (TEOS), un compuesto químico de uso frecuente en la industria de los semiconductores. Luego, las nanofibras se exponen a vapor de magnesio para producir la estructura de fibra de silicio similar a una esponja.
Los ánodos de batería de iones de litio producidos convencionalmente se fabrican con una lámina de cobre recubierta con una mezcla de grafito, un aditivo conductor, y un aglutinante polimérico. Pero, porque el rendimiento del grafito casi se ha agotado, los investigadores están experimentando con otros materiales, como el silicio, que tiene una capacidad específica, o carga eléctrica por unidad de peso de la batería, casi 10 veces más alto que el grafito.
(a) Representación esquemática del proceso de electrohilado y posterior proceso de reducción. Fotografías digitales de (b) papel de nanofibras de SiO2 recién hilado, (c) papel de nanofibras de silicio grabado, y (d) papel de nanofibras de silicio recubierto de carbono como se usa en la configuración de media celda de iones de litio.
El problema con el silicio es que sufre una expansión de volumen significativa, que puede degradar rápidamente la batería. La estructura de nanofibras de silicio creada en los laboratorios de Ozkan evita este problema y permite que la batería se cicle cientos de veces sin una degradación significativa.
"La eliminación de la necesidad de colectores de corriente de metal y aglutinantes poliméricos inactivos mientras se cambia a un material denso en energía como el silicio aumentará significativamente la capacidad de alcance de los vehículos eléctricos, "Favores dijo.
Esta tecnología también resuelve un problema que ha afectado a los autónomos, o sin aglutinante, electrodos durante años:escalabilidad. Materiales independientes cultivados mediante deposición química de vapor, como nanotubos de carbono o nanocables de silicio, solo se puede producir en cantidades muy pequeñas (microgramos). Sin embargo, Favors pudo producir varios gramos de nanofibras de silicio a la vez, incluso a escala de laboratorio.
El trabajo futuro de los investigadores implica la implementación de las nanofibras de silicio en una batería de iones de litio con formato de celda de bolsa, que es un formato de batería a mayor escala que se puede utilizar en vehículos eléctricos y electrónicos portátiles.
