El 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.
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.
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.
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.
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.
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
