Baterías de azufre-silicio. Nuevos métodos de fabricación con costes competitivos

Una universidad de California presenta un nuevo método para fabricar ánodos de silicio de alto rendimiento que combinados con los cátodos de azufre mejorados, que también ellos han desarrollado, pueden otorgar a las baterías de ion litio capacidades muy superiores a las actuales.

Pero la parte más interesante de esta noticia es el énfasis que ponen sus autores en el coste del proceso. Empleando métodos industriales, lo que facilitaría su adaptación a la cadena de producción actual, se pueden mantener unos precios de fabricación muy reducidos, lo cual hace de esta tecnología una gran candidata a golpear los mercados. 

Los resultados llegan desde Los Ángeles, California, donde el grupo del profesor Chongwu Zhou de la Escuela de Ingenieros USC (University of Southern California) Viterbi ha logrado fabricar tanto un ánodo de silicio como un cátodo de azufre con rendimientos muy elevados, una durabilidad más que aceptable y todo ello usando procesos industriales de bajo coste.

Por un lado el ánodo de silicio, un material muy prometedor por su gran capacidad para alojar átomos de litio y que ya ha llegado al mercado de baterías, aunque sin ofrecer toda su capacidad. El silicio está destinado a sustituir al grafito que actualmente compone los ánodos de las baterías de ion litio. Se trata del segundo material más abundante en la corteza terrestre, por detrás del oxígeno y muy por encima del carbono, el elemento que forma el grafito. Su potencial como material para el ánodo radica en el número de átomos de litio que es capaz de alojar. Mientra que para cada átomo de litio se necesitan 6 átomos de carbono, un solo átomo de silicio puede retener hasta 4, disparando la capacidad teórica de este material hasta los 3.600 mAh/g frente a los 372 mAh/g que alcanza el grafito.

El saber no ocupa lugar pero los átomos de litio si, esto hace que el silicio multiplique su volumen 4 veces, pulverizando el material en los sucesivos ciclos y acabando con la vida del ánodo. Para soportar semejante expansión se hace uso de nanoestructuras o de materiales porosos. La primera solución suele llevar asociados grandes gastos de fabricación. El grupo de Zhou, que ya había probado con nanohilos de silicio anteriormente, buscó una alternativa en la segunda opción y ha logrado fabricar un ánodo con silicio poroso que presenta una capacidad de 1.100 mAh/g y que puede sobrepasar los 600 ciclos. Con más del doble de capacidad 600 ciclos es más que suficiente hasta para un taxista.

Lo más interesante es el proceso utilizado, que aprovecha técnicas ya empleadas en la industria, fácilmente escalables y de bajo costo. Mediante un pulverizado usando molino de bolas y el posterior ataque químico se obtiene un polvo de silicio poroso. Ambos procesos ya eran conocidos anteriormente para el tratamiento de silicio y combinándolos adecuadamente se puede obtener producto homogéneo y del tamaño apropiado para ser empleado en la fabricación de los ánodos.

La publicación “Large-Scale Fabrication, 3D Tomography, and Lithium-Ion Battery Application of Porous Silicon” se complementa con otro artículo del mismo grupo, también en NanoLetters, y enfocado en cátodos de azufre para baterías de ion litio; “Solution Ionic Strength Engineering As a Generic Strategy to Coat Graphene Oxide (GO) on Various Functional Particles and Its Application in High-Performance Lithium–Sulfur (Li–S) Batteries“.

El revestimiento de partículas y superficies con óxido de grafeno es un proceso estandarizado en la industria. Se emplea en células solares, sensores o sistemas electrónicos para mejorar su eficiencia, típicamente sustituyendo al óxido de indio y estaño (ITO). El óxido de grafeno tiene propiedades únicas, como una gran superficie activa, gran estabilidad química y buena resistencia mecánica a la par que flexible.

Es un perfecto complemento para el azufre, que es un mal conductor y aqueja de poca resistencia mecánica. Por el lado bueno, el azufre es un material abundante, muy barato y aunque huela a demonios, literalmente, no es tóxico. Lo mejor de todo es que ofrece una gran capacidad para almacenar litio, hasta 10 veces más que las aleaciones metálicas de óxidos o fosfatos de níquel, manganeso, hierro o el contaminante cobalto que llevan algunas baterías como las de Tesla, por comentar. Gracias a una camisa de óxido de grafeno el azufre ha presentado una capacidad de 800 mAh/g, que supone 5 veces la capacidad media de los cátodos comerciales, y podrá sobrevivir al ánodo de silicio, ya que se mantiene estable durante 1.000 ciclos.

Ahora tendremos que esperar una nueva publicación con el resultado de combinar ambas tecnologías en una batería, para lo que los estudiantes del profesor Zhou tendrán que encontrar un buen electrolito. Desde el grupo de la Escuela de Ingenieros USC Viterbi se muestran confiados de que su procesos dará lugar a una nueva generación de baterías, y que serán baratas, o lo que es lo mismo, comercializables.

Fuentes | NanoLetters | NanoLetters | USC