Los investigadores de Warwick Manufacturing Group han dado un gran paso para reemplazar el grafito con silicona en los ánodos de las baterías de iones de litio.
Mediante la adición de pequeñas vigas de grafeno, los científicos lograron superar los problemas de rendimiento inherentes al silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre con diez veces la densidad de gravimétrica del grafito, aumentando así la capacidad de la batería y su vida útil en más de doble.
En las baterías típicas de iones de litio, el silicio pierde muchísima capacidad. Debido a la expansión de volumen que ocurre tras la litiación, las partículas de silicio pueden aglomerarse electroquímicamente de forma que afecten la eficiencia de la carga-descarga a lo largo del tiempo.
Como el silicio no es lo suficientemente elástico como para soportar la tensión de litiación cuando se carga repetidamente, puede provocar al agrietamiento y la rápida degradación física de la microestructura compuesta del ánodo.
Sin embargo, los investigadores de la Universidad de Warwick, Inglaterra, descubrieron una nueva mezcla de ánodos, que podría fabricarse a escala industrial y sin la necesidad de recurrir al nanodimensionamiento del silicio y sus problemas asociados.
Separar y manipular unas pocas capas conectadas de grafeno dio a los investigadores un material de grafeno de pocas capas (FLG).
Según el estudio, titulado “Estudios de impedancia relacionados con fases en sistemas compuestos de electrodos de silicio y grafeno” y publicado en Nature Scientific Reports, el material FLG puede mejorar drásticamente el rendimiento de partículas de silicio de tamaño micrométrico mayor cuando se utiliza en un ánodo .
Por lo tanto, los investigadores crearon ánodos formados por un 60 % de partículas de microsilicio, 16 % de FLG, 14 % de sodio / ácido poliacrílico y 10 % de aditivos de carbono, y luego examinaron el rendimiento (y los cambios en la estructura del material) durante 100 ciclos de carga y descarga.
Se vio así que el FLG aumenta la resiliencia y las propiedades de tracción del material, reduciendo en gran medida el daño causado por la expansión física del silicio durante la litiación. La Dra. Melanie Loveridge, que dirigió la investigación y es Investigadora Senior en WMG en la Universidad de Warwick, afirmó: “Más importante aún, el FLG también pueden resultar muy efectivo en la preservación del grado de separación entre las partículas de silicio. Cada ciclo de carga de la batería aumenta las posibilidades de que las partículas de silicio se se suelden entre sí electroquímicamente.
“Aumentar la aglomeración reduce y restringe cada vez más el acceso de electrolitos a todas las partículas en la batería e impide la difusión efectiva de iones de litio, lo que por supuesto degrada la vida de la batería y la potencia de salida. La presencia de FLG en la mezcla probada por la WMG University of Warwick llevó a los investigadores a formular la hipótesis de que este fenómeno es altamente efectivo para mitigar la fusión electroquímica de silicio “.
El equipo de investigación ya ha comenzado a trabajar en este logro como parte de un proyecto de dos años liderado por Varta Microinnovations, junto con la Universidad de Cambridge, CIC, Lithops y el Instituto Italiano de Tecnología en la producción preindustrial de silicio / grafeno y procesamiento en baterías de iones de litio para aplicaciones de alta energía y alta potencia.
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