Un grupo de investigación dirigido por Naoki Fukata, Líder del Grupo de Materiales Semiconductores Nanoestructurados en el Centro Internacional de Nanoarquitectónica de Materiales (MANA), Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS), Japón, y un grupo de investigación en el Instituto de Tecnología de Georgia, NOSOTROS, Desarrolló conjuntamente un material de ánodo para baterías recargables de iones de litio (Li) mediante la formación de nanopartículas de compuestos de silicio (Si) -metal sobre sustratos metálicos. El material de ánodo resultante tenía una alta capacidad, casi el doble que los materiales convencionales, y un ciclo de vida prolongado. Estos resultados conducirán al desarrollo de mayor capacidad, Materiales de ánodo de mayor duración para baterías recargables de iones de litio.

En el presente, Los materiales a base de carbono se utilizan como ánodos para baterías recargables de iones de litio, y sus capacidades son de hasta 370 mAh / g. En teoria, sus capacidades se pueden aumentar en más de 10 veces a 4, 200 mAh / g, siempre que se utilice Si puro como material de ánodo. Sin embargo, Si puro es altamente expandible, de tres a cuatro veces por volumen, durante el proceso en el que se incorpora Li ion. Debido a esta propiedad, Los materiales de ánodo de silicio puro son propensos a agrietarse ya que se les aplica una gran cantidad de tensión durante los ciclos repetidos de carga y descarga. y, por lo tanto, el uso de Si puro a granel como material de ánodo acorta considerablemente la vida útil del ciclo de la batería. Como consecuencia, El Si puro no se había utilizado hasta hace poco.

Los grupos de investigación conjuntos formaron nanocables de germanio (Ge) unidimensionales sobre sustratos metálicos y luego crearon compuestos nanoestructurados de Si-metal utilizando los nanocables como capa de material base. El material nanoestructurado formado se caracteriza por numerosas cavidades que existen dentro de nanopartículas agregadas de aproximadamente varias decenas de nanómetros a cien nanómetros. También hay cavidades más grandes presentes entre los compuestos de Si-metal y las nanoestructuras de Ge (Fig. 1). Otra característica es que el material consiste no solo en Si puro, sino también en átomos de metal (principalmente hierro) que se obtienen espontáneamente del sustrato a través de las nanoestructuras de Ge subyacentes y se incorporan al material de Si en crecimiento. formando compuestos de silicio-metal.

Basado en las evaluaciones de las propiedades de carga-descarga de muestras fabricadas, los grupos de investigación confirmaron que la capacidad del nuevo material de ánodo era aproximadamente el doble de la capacidad de los materiales de ánodo actuales, y su ciclo de vida también se extendió en comparación con los materiales convencionales.

El nuevo material es capaz de aumentar tanto la capacidad como la vida útil de los ánodos de las baterías recargables de iones de litio. Los grupos de investigación lograron estas características creando cavidades internas en el material, que actúan como espacio de amortiguación para absorber el estrés generado por la expansión del Si puro, y regulando la composición de Si y elementos metálicos en la nanoestructura basada en Si.