Baterías. Récord de ciclos para el ánodo con estructura de granada

El grupo del profesor Yi Cui de la Universidad de Stanford nos vuelve a sorprender con un original diseño de batería que otorga unos rendimientos fuera de lo común. Esta vez se trata de un ánodo de batería con aspecto de granada (la de comer), por la estructura interna del electrodo que se asemeja al interior del fruto pero en dimensiones nanométricas.

Un ánodo de silicio que supera los 1.000 ciclos sin apenas sufrir desgaste y con una capacidad especifica 6 veces superior a la del grafito. En este post explicamos el proceso de fabricación y sus fabulosas cualidades.

Como si de una granada se tratase, la estructura de este novedoso concepto de ánodo se puede desgranar en numerosas partículas. Los granos que forma el conjunto son esferas huecas que contienen una segunda particula en su interior. La esfera hueca esta formada por una fina capa de carbono mientras que la “semilla” de esta nanopartícula híbrida es una nanoesfera de silicio. Y al igual que en la granada otra capa encapsula el grupo de granos, pero en este caso en vez la amarga membrana amarilla se trata de una gruesa capa de carbono con un grosor de varias micras.

Se trata por lo tanto de otra propuesta para aprovechar el potencial de las batería con ánodo de silicio, del que tantas veces hemos hablado ya, el que tiene sus ventajas y sus grandes inconvenientes. Su gran ventaja; una capacidad teórica de almacenamiento de iones de litio 10 veces superior a la del grafito que se usa en las baterías convencionales. Tanto para baterías de ion litio como para las (futuras) baterías de aire-litio. O incluso para aquellas de litio-azufre.

Inconvenientes, principalmente 3. Por un lado los cambios de volumen asociados a las panzadas de litio de las que este material es capaz provocan la degradación del material. Además, el silicio tiende a reaccionar y disolverse en el electrolito y, por último, que aunque se puedan mejorar sus cualidades usando nanoestructuras, como vimos con los nanohilos y las nanoesferas, su capacidad volumétrica disminuye según se reduce el tamaño de las estructuras.

El ánodo con forma de granada no es un capricho del grupo de Stanford para que en Forococheselectricos, que nos gustan las baterías con temas alimenticios (véase el post “Arroz con litio”  o “Baterías de caparazón de cangrejo” ) hablemos más de ellos, ojalá. La estructura es una arquitectura muy estudiada y concienzudamente elaborada para conseguir solventar los tres problemas presentados anteriormente.

Para lograr esta compleja estructura se necesitan varios pasos. En el primero se protegen las nanopartículas de silicio creciendo una capa de óxido de silicio (por el método Stöber), aunque también se podría hacer por oxidación térmica. Esta capa de silicio se quitará al final del proceso con la intención de dejar espacio para la expansión del silicio. En el segundo paso se agrupan las partículas creando una emulsión, usando una especie de aceite y un surfactante, como si mezclásemos agua y aceite y lo agitásemos para formar pequeñas burbujas. Se forman los cluster y se evapora el agua. El siguiente paso es recubrir los clusters con una capa de carbono, que se hará por carbonización de una resina que se ha fijado a los clusters tras modificar químicamente la superficie de estos. Por último se elimina la capa de óxido de silicio con un ataque químico (ácido fluorhídrico).

La idea de encapsular las nanopartículas para preservar su estabilidad ya la presentaron anteriormente desde este mismo grupo, usando óxido de titanio para encarcelar partículas de azufre. En el caso de la estructura de granada el carbono ayuda a mejorar el contacto y permite el paso de los iones de litio, actuando como una membrana protectora frente al electrolito. La estructura combina las ventajas de usar partículas nanométricas de silicio, que no se deterioran, y clusters milimétricos que ofrecen menos superficie para la formación de la capa interfase sólido-electrolito SEI.

Toda esta protección permite a este electrodo superar los 1.000 ciclos manteniendo una capacidad de retención del 97%, la mejor retención reportada hasta el momento para ánodos de silicio. La capacidad Coulombica se mantiene en el 98% gracias a la menor superficie que ofrecen las estructuras de mayor tamaño, mientras que la capacidad volumétrica alcanza los 1.270 mAh/cm³, que es el doble del grafito usado en las ion litio convencionales y 2.350 mAh/g, seis veces la capacidad específica del grafito (372 mAh/g).

El problema de este apasionante trabajo es llevarlo a la producción comercial, por la complejidad del proceso. Algo en lo que están trabajando, y para lo que pretenden adaptar el proceso de obtención del silicio a partir de la cascara del grano de arroz como vimos en su día.

Fuentes | Nature | SLAC