Para aumentar la densidad energética de las baterías, los investigadores han estado trabajando para mejorar sus componentes principales, trabajando en el electrodo o electrolito que las separa. Así, muchos estudios se centran en intentar convertir el electrolito líquido en sólido, o modificar la química del cátodo. Pero ahora un nuevo enfoque busca modificar el ánodo para evitar reacciones parásitas que reduzcan la eficiencia y mejorar la capacidad de las baterías.
La investigación está conducida por un equipo del Laboratorio de Catálisis Molecular y Materiales Innovadores de la Universidad de Fudan, China. En un artículo publicado en la revista Nano Research, se explica una nueva técnica en el diseño del ánodo basada en un contenido mixto de silicio-monóxido-carbono, y donde los resultados preliminares muestran una mayor eficiencia de la batería sin la aparición de reacciones secundarias que degraden el conjunto.
Los fabricantes de baterías están buscando alternativas al plomo en la formación del ánodo. Debido a su alta capacidad específica (tasa de descarga) y su abundancia, los materiales más adecuados son los compuestos a base de silicio. Especialmente el monóxido de silicio, que ha mostrado un gran potencial de cara a convertirse en la alternativa para la próxima generación de baterías.
El silicio-carbono es un compuesto más estable y sufre menos cambios de estructura que el litio. Estos cambios de estructura solían producir reacciones con el electrolito, los iones de litio, que secaban la batería y en algunos casos hacían crecer el ánodo hasta llegar a hacer contacto con el cátodo, lo que inevitablemente produce un corto y el consecuente fallo de la batería.
El principal problema hasta ahora era su baja conductividad, y además esta cambia durante los ciclos de carga y descarga. Estas variaciones de hasta el 300% dan como resultado la degradación y separación del material del ánodo.
Según los responsables de la investigación: “La solución es combinar monóxido de silicio con carbono en un material compuesto, que es una especie de mezcla entre los materiales de ánodo de grafito existentes y los ánodos basados en silicio de próxima generación. El compuesto ofrece lo mejor de ambos mundos. Pero aquí también hay muchos obstáculos que superar”.
El silicio-carbono proporciona alta conductividad eléctrica y estabilidad estructural. También experimenta una pequeña cantidad de expansión durante los ciclos. Su flexibilidad le permiten inhibir la expansión de volumen de la silicona lo que da como resultado un compuesto del ánodo que ofrece una buena capacitancia y un alto rendimiento cíclico.
Entre los principales retos a superar está la eficiencia
Coulómbica (EC) (la relación entre la carga eléctrica total que se introduce en la batería y la carga total que se extrae de ella) que en este caso es relativamente pequeña. Aunque siempre se retira menos de lo que se ingresa, el objetivo es mantener estas pérdidas inevitables al mínimo.
Pero durante los test se ha visto que el sistema reaccionaba de forma irreversible con el compuesto. El resultado es una serie de productos que forman una capa entre la superficie del ánodo y la superficie electrolítica sólida (SEI).
Un proceso parásito de ‘litiación’ que para ser superado, los investigadores han desarrollado una nueva técnica de ‘prelitigación’ que almacena el exceso de litio en la batería por adelantado y compensa el litio consumido por reacciones parásitas durante el ciclo de la batería.
El nuevo proceso, que los investigadores han denominado «corrosión de litio en estado sólido», elimina todos estos problemas. Han reemplazado el electrolito líquido por un electrolito sólido compuesto de oxinitruro de fósforo y litio con carbono incorporado (LiCPON) y de esta forma, no solo se evitan las reacciones secundarias no deseadas asociadas con el litio metálico, sino que se crea una mejor conexión entre el ánodo y el electrolito.
Durante la investigación, el equipo probó la precorrosión mediante el proceso de litiación en estado sólido de tres maneras diferentes, para de esa manera observar las reacciones electroquímicas en tiempo real. Para ello han usado imágenes ópticas, microscopía electrónica y difracción de rayos X. La técnica incrementó la eficiencia del ánodo en un 83% casos sobre electrodos de prelitiación con electrolito líquido.
Un proceso realizado sobre una serie de celdas en formato botón, que dará paso al inicio delos test en formatos industriales de mayor tamaño, que abrirá las puertas a una nueva técnica que promete mejorar las capacidades de las baterías, y además hacerlo sin grandes cambios en la composición de las celdas ni en los procesos industriales de producción.
