Esta nueva técnica eleva la eficiencia de las baterías usando silicio y electrolito sólido

Para mejorar la eficiencia de las baterías de litio, los investigadores trabajan para mejorar sus principales componentes, actuando sobre los electrodos o el electrolito que los separa (el medio a base de litio que permite el transporte de iones entre el ánodo y el cátodo). Así, muchos estudios se centran en tratar de cambiar el electrolito líquido por uno sólido o de modificar los componentes químicos del cátodo. Por último, como en el caso de este nuevo estudio, la tarea se ha basado en modificar el ánodo para evitar las reacciones parásitas que reducen la eficiencia.

La investigación la ha llevado a cabo el equipo de Zhengwen Fu, coautor del estudio y electroquímico del Laboratorio de Catálisis Molecular y Materiales Innovadores de la Universidad de Fudan. En el artículo que describe el proceso, publicado en la revista Nano Research, se explica una nueva técnica de preparación del ánodo a base de un material compuesto de silicio-monóxido-carbono. Los resultados preliminares elevan la eficiencia de las baterías sin la aparición de reacciones secundarias no deseadas.

Los ánodos de las baterías de litio

Hasta la década de los noventa, los fabricantes de baterías utilizaban carbón de coque para crear la estructura del ánodo de las baterías (el terminal negativo por el que entra la corriente eléctrica). Sin embargo, este material empezó a sustituirse por grafito, una forma de carbono, debido a la estabilidad que ofrece a largo plazo durante muchos ciclos de carga y descarga.

Pero, para mejorar aún más el rendimiento de las baterías de iones de litio, los fabricantes de baterías buscan alternativas para el ánodo. Debido a una alta capacidad específica (tasa de descarga) y a su abundancia en la corteza terrestre, los materiales más apropiados son los compuestos a base de silicio. En concreto, el monóxido de silicio ha mostrado ser muy prometedor para la próxima generación de baterías de iones de litio.

El inconveniente es que este material por sí solo también presenta una serie de desventajas. Entre ellas está su baja conductividad y sus cambios de volumen durante los ciclos de carga y descarga. Estas variaciones, de hasta el 300%, dan como resultado la destrucción y desprendimiento de los materiales del ánodo, reduciendo radicalmente el rendimiento.

“La solución consiste en combinar el monóxido de silicio en un material compuesto con carbono, una especie de mezcla entre el material de ánodo de grafito existente y el ánodo basado en silicio de próxima generación”, asegura Zhengwen Fu. “El compuesto ofrece lo mejor de ambos mundos. Pero incluso aquí, hay muchos obstáculos que superar”.

El carbono ofrece una alta conductividad eléctrica y estabilidad estructural. También experimenta una menor expansión de volumen durante el ciclado. Su flexibilidad y capacidad como lubricante funcionan para inhibir la expansión de volumen del silicio. En general, este ánodo compuesto ofrece una buena capacidad y un alto rendimiento cíclico.

Pero todas estas ventajas no están exentas de otros inconvenientes: los ánodos compuestos de silicio-monóxido-carbono sufren de una eficiencia culómbica (relación de la carga eléctrica total puesta en una batería en comparación con la carga total extraída de ella) relativamente baja. Si bien siempre se retira menos de lo que se ingresa, el objetivo es limitar al mínimo estas pérdidas inevitables.

La investigación

Durante el primer ciclo del prototipo de la batería de iones de litio con un ánodo compuesto de este nuevo material, parte del litio reaccionó irreversiblemente con el compuesto. El resultado es una serie de productos que forman una capa entre la superficie del ánodo y la interfase electrolítica sólida (SEI). Este proceso parásito de ‘litiación’ da como resultado la pérdida de litio activo y el descenso de la eficiencia culómbica.

Otras investigaciones han desarrollado sus propias técnicas previas a la litiación, utilizando litio metálico puro, un litio metálico modificado o un compuesto que contiene litio. En todos estos casos existen limitaciones: los compuestos que contienen litio tienden a liberar un gas durante el ciclo después de la litiación, lo que reduce el rendimiento del ánodo y la densidad de energía de la batería en su conjunto.

Para superar estos inconvenientes, los investigadores desarrollaron una nueva técnica de ‘litiación previa’ que almacena litio adicional en la batería por adelantado y compensa el litio consumido por las reacciones parásitas durante el ciclo de la batería.

El nuevo procedimiento, que los investigadores han denominado ‘corrosión del litio en estado sólido’, elimina todos estos problemas. Reemplaza el electrolito líquido por un electrolito sólido compuesto de oxinitruro de fósforo y litio con carbono incorporado, (LiCPON). De esta manera, no solo se evitan las reacciones secundarias no deseadas asociadas con el litio metálico, sino que se crea una mejor interfaz entre el ánodo y el electrolito.

Durante la investigación, el equipo pudo comprobar si su proceso de litiación en estado sólido previa a la corrosión estaba funcionando según lo previsto a través de tres métodos diferentes para observar las reacciones electroquímicas en tiempo real: imágenes ópticas, microscopía electrónica y difracción de rayos X. La técnica aumentó la eficiencia del ánodo en casi un 83% sobre un electrodo de prelitiación con electrolito líquido.

El concepto ha sido probado en baterías tipo botón, a pequeña escala, destinadas a la investigación y desarrollo de baterías de laboratorio. El equipo de investigadores pasará ahora a la siguiente fase para comprobar si el proceso se mantiene en las baterías de tamaño industrial.

Fuente: Agencia ID.