Baterías. El silicio se hace fuerte

Baterías. El silicio se hace fuerte.


Baterias-Ontario-SilicioEl silicio vuelve a presentar sus cartas como el mejor material para potenciar los ánodos de las baterías de ion litio. Esta vez se trata de un proceso sencillo que puede otorgar a este material la estabilidad necesaria para su uso comercial, larga durabilidad y mayor densidad energética.

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El resultado son baterías de ion litio con entre 3 y 4 veces más capacidad que las actuales, usando materiales baratos y aprovechando la tecnología presente en la fabricación de acumuladores. Todo gracias a un rápido tratamiento térmico del electrodo.

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El interés por utilizar silicio como material para el ánodo no para de levantar el interés de empresas e investigadores. Tratandose de un elemento muy asequible y con una capacidad teórica (∼4.200 mAh/g) que supera en más de 10 veces el límite teórico del grafito (∼370 mAh/g – el material usado comercialmente en los ánodos) es de esperar que sea el próximo avance dentro de las propias baterías de ion litio.

Sin embargo, el gran cambio de volumen que supone tal capacidad de almacenaje de átomos de litio lleva consigo un aumento de hasta cuatro veces el volumen en descarga. Un cambio de tamaño del electrodo que desquebraja la estructura silícea perdiéndose el contacto eléctrico y deteriorándose el rendimiento de la pila. Con el cambio de volumen se fragmenta también la interfase solido-electrolito (SEI – solid electrolite interphase), que tiene que volver a formarse, lo cual reduce la eficiencia coulombina de la pila.

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Hemos visto en numerosas ocasiones diferentes estrategias para mantener íntegra la estructura recubriendo el silicio con finas capas de materiales más flexibles, formando nanotubos, cascaras de grosores nanométricos o estructuras porosas a partir de una plantilla. Procesos complejos que aumentan el precio final del producto, bastante caro de por sí .

Es precisamente este punto el más atractivo de la publicación de la universidad de Waterloo (Ontario, Canada). Según la publicación en Nano Letters, con un simple tratamiento térmico se puede producir un electrodo poroso de silicio recubierto por una fina capa de carbono con la estructura del grafeno. El electrodo se fabrica de forma convencional, usando partículas esféricas de silicio y un polímero aglutinante (ambos disponibles en el mercado) y se introduce en un horno a 900 grados con una atmósfera reductora (hidrógeno y argón) durante 20 minutos.

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Tras el proceso se obtiene un electrodo resistente, con un alto contenido en silicio (87.2%), que incluso se puede doblar sin romperse y que mantiene tanto la integridad como el contacto con el colector de corriente de cobre, gracias a que las nanopartículas de silicio se han recubierto por una capa nanométrica de carbono. Esta fina capa similar al grafeno proporciona suficiente conductividad, de modo que tampoco es necesario usar aditivos, permitiendo así una elevada densidad energética.

Los electrodos construidos usando este proceso alcanzan los 2.505 mAh/g en los primeros ciclos y mantienen una capacidad de 1.150 mAh/g para el electrodo de silicio tras 500 ciclos a 1C (cargas de 1 hora) y una eficiencia coulombica del 99.8%. Con 3 veces más capacidad que los electrodos de grafito (370 mAh/g), las pilas pueden también soportar cargas y descargas más fuertes aunque con menor retención, pero con una buena recuperación en sucesivos ciclos.nissan-leaf-2013-bateria

La sencillez del proceso y su fácil adaptación a la producción en cadena permitirían una rápida introducción al mercado. Más aun teniendo en cuenta que el trabajo ha sido desarrollado en colaboración con el centro de investigación y desarrollo de General Motors. Aunque por el momento ninguna de las patentes publicadas por el grupo de Xingcheng Xiao en baterías usando silicio hace referencia a este proceso.

Fuente | Nano Letters

Gracias al usuario Realista por el aviso


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10 comentarios en “Baterías. El silicio se hace fuerte.”

  1. Dicen que el que busca encuentra. Los que hemos conocido los discos duros de 40 MB ni siquiera conocíamos el prefijo Giga y mucho menos el Tera. Se ha multiplicado la capacidad de los discos duros por mas de 25.000 veces. Con las baterías un factor multiplicador de 2 ya sería un logro. Esperando en llegar en un futuro próximo a un factor 10 y autonomías por encima de 1.000 km.

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    • Cuando el disco 5 1/4 de 348K era el rey.
      Estamos viviendo el renacimiento del vehículo eléctrico. Eso no se hace en 2 días. Hace 4 años, ni por asomo sabíamos que iba a pasar con Tesla y mucho menos que BMW, Mercedes, VW, Audi… iban a tener su vehículo eléctrico en la calle, y que recibiría el premio un Fiat 500.
      La segúnda generación de baterías, está al llegar, y aunque no solucione todos los problemas de los eléctricos, si que disminuirán sus inconvenientes y se hará mas agradable a la vista del consumidor.
      Es más, Samsung y Panasonic, 2 grandes de la electrónica y de las baterías, van a dar mucho que hablar. Samsung ya ha reconocido su interés en sacar un modelo al mercado y panasonic ya se ha aliado con uno de los grandes de los eléctricos como lo es Tesla.

      Vamos a ver muuuuchos cambios.

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  2. Completamente de acuerdo con Gabriel. Lo bueno de esto es que hay muchos buscando por muchas vías diferentes. Algunas vías no serán sino vías muertas y no llegarán a nada, pero alguna (por accidente o por visión acertada del equipo de investigación) sí conseguirá sus objetivos. Yo ya llevo como 4 o 5 años siguiendo esta página y siempre aparece alguna novedad… Pero confío que algún día lo veremos hecho realidad!

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  3. Esta noticia es bastante esperanzadora y deja más o menos claro que a medio plazo vamos a ver celdas comercializables con una energia especifica proxima a los 500wh/kg eso si con una vida ciclica baja «al menos para automoción» 500 ciclos pero para todo el resto del sector sera suficiente.

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  4. Siento ser tan pesimista, pero es que no es lo mismo el tema de los discos duros que de las baterías. La gran diferencia esta en que las baterías harán mucho daño a los magnates del petróleo, y lo de los discos duros a nadie. Por desgracia mientras manden en el mundo los que tienen la pasta, al resto de los mortales que les jodan. Feliz año a todos.

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  5. Hay varios avances interesantes, pero éste quizás lo es más por la facilidad de la incorporación a los métodos de fabricación actuales.
    Una duda. Imagino que si la capacidad de la misma batería pasa a multiplicarse X2, X3 ó X4, los tiempos de recarga se multiplicarán de forma proporcional, ¿no?

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    • Ah, y no olvidemos la economía del proceso. Entiendo que utilizar Silicio para el ánodo en lugar de grafito (materiales baratos y aprovechando tecnología ya utilizada en acumuladores) y meter luego el electrodo en un horno 20 minutos no debería encarecer el precio final de las baterías.

      Podríamos estar hablando incluso de una gran rebaja, ya que si para la misma batería son capaces de multiplicar su capacidad, en realidad se está rebajando a 1/2, 1/3 ó incluso 1/4 (en función del grado de optimización del proceso), el precio del Kw·h.

      Saludos.

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      • Se me hace la boca agua pensando en una bajada del precio de almacenamiento a la cuarta parte porque en ese momento sí que tengo claro que la revolución de los coches eléctricos va a ser una reunión de amigos comparado con el sideral cipote que se puede armar con el tema de la autonomía energética.

        Ya pueden meterle impuestos al autoconsumo eléctrico conectado a la red que lo verdaderamente interesante será el autoconsumo aislado y mandar a tomar por donde amargan los pepinos a todas las suministradoras eléctricas y a todos los psicópatas y colaboracionistas que las gobiernan y soportan.

        S2.

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        • Hombre, la electricidad entiendo que valdría lo mismo. Lo que valdría menos sería el soporte (la batería). Creo, vaya…

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  6. Muy buena pinta sin lugar a dudas.

    Me asuste al leer lo de los 500 ciclos, pero no mirandolo por encima y leyendo al detalle apenas pierde capacidad tras esos 500 ciclos que serian 150.000 kms asi a ojo , la gran duda seria ver en que estado llegarian a los 300.000 kms (creo que puse como ejemplo una bateria de peso similar a las actuales pero suponiendo el incremento de densidad multiplicandolo por 3 o 4 xD) obviamente para entonces venderian de menor peso y capacidad , porque con esta tecnologia es facil duplicar los 21-28 KWh habituales de las baterias actuales a un muchisimo menor coste instalando menos celdas y pesando estas menos.

    Duplicando ya tienes 200 kms reales por carretera que para la mitad de ussers podria valer , aunque obviamente el magico numero de autonomia creo que son al menos 300 reales a velocidad de 110-130 por autopista para lanzar a todos los clientes en su compra, asi que a las malas con las celdas actuales te salen baterias del Tesla S mas ligeras con esta tecnologia.

    Como suelo decir ojala lleguen para el 2020 , pero me temo que las tardaremos ver en llegar hasta la tercera generacion de baterias…

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