Investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), en Corea del Sur, han encontrado el modo de atajar las limitaciones hasta ahora encontradas en las baterías de iones de litio con ánodo de silicio.
Actualmente, las baterías que monopolizan casi por completo el mercado mundial de dispositivos electrónicos y, por supuesto, el de vehículos eléctricos, son las de iones de litio.
Estas utilizan ánodos de grafito y dos tipos principales de cátodo: las diferentes variantes de níquel-magnesio (con cobalto o aluminio, entre otros) o las de litio-ferrofostato (LFP).
Sin embargo, estas combinaciones presentan inconvenientes que van más allá del rendimiento, y que tienen que ver con la disponibilidad de los materiales, su coste y también implicaciones medioambientales, políticas y sociales.
Esto anima a los científicos a buscar alternativas, como las cada vez más populares baterías de sodio. Pero hay otras alternativas, como las baterías de iones de litio con ánodo de silicio, que resuelve los problemas asociados al uso del grafito.
Batería con ánodo de silicio y electrolito en gel
El profesor Soojin Park, junto con el candidato a doctorado Minjun Je y el Dr. Hye Bin Son, del Departamento de Química de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), están desarrollando una opción viable de batería de iones de litio con ánodo de silicio para su aplicación en vehículos eléctricos.
El silicio, reconocido por su capacidad de almacenamiento, puede ser un componente anódico en las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Pero, a pesar de su potencial, integrar el silicio en aplicaciones prácticas sigue siendo un enigma que los investigadores están abordando con dedicación.
Sin embargo, en POSTECH han logrado un avance significativo, desarrollando un sistema de batería de iones de litio de alta densidad energética, robusto y fácil de implementar, que utiliza micropartículas de silicio en el ánodo y electrolitos de polímero en gel. Un avance que ha sido detallado en un artículo publicado en la revista Advanced Science.
Actualmente, la utilización de silicio en baterías presenta desafíos: su expansión durante la carga y contracción durante la descarga afecta a la eficiencia de la batería. Aunque el uso de silicio de tamaño nanométrico aborda parcialmente este problema, el proceso de producción complejo y costoso plantea desafíos presupuestarios significativos.
Cómo evitar la expansión del silicio
El uso del silicio a escala micro (10 -6 m) resulta práctico y rentable, ofreciendo una alta densidad de energía. Sin embargo, las limitaciones surgen debido a la expansión de las partículas de silicio durante el funcionamiento de la batería.
Para abordar este desafío, el equipo de investigación de POSTECH desarrolló un sistema de batería basado en silicio, utilizando electrolitos de polímeros en gel para mejorar la estabilidad. Emplearon un haz de electrones para formar enlaces covalentes entre el microsilicio y los electrolitos en gel, reduciendo la tensión interna y mejorando la estabilidad estructural durante el ciclo de carga y descarga de la batería.
El resultado fue impresionante: la batería demostró un rendimiento consistente incluso con micropartículas de silicio (5 μm), que eran cien veces más grandes que las empleadas en los ánodos de nanosilicio convencionales.
Además, el sistema de electrolitos de gel de silicio desarrollado por el equipo de investigación demostró una conductividad iónica comparable a la de las baterías estándar que utilizan electrolitos líquidos, con un aumento aproximado del 40 % en la densidad de energía. Asimismo, el proceso de fabricación del sistema del equipo es notablemente simple y está listo para su implementación inmediata.
El profesor Soojin Park resaltó que, «aunque usamos un ánodo de microsilicio, logramos obtener una batería estable. Este avance nos acerca más a un sistema de batería de iones de litio de alta densidad energética listo para el mundo real».
