Los científicos han intentado durante años fabricar un práctico ánodo de batería de iones de litio con silicio, que podría almacenar 10 veces más energía por carga que los ánodos comerciales actuales y hacer que las baterías de alto rendimiento sean mucho más pequeñas y livianas. Pero dos problemas principalesse han interpuesto: las partículas de silicio se hinchan, se agrietan y se rompen durante la carga de la batería, y reaccionan con el electrolito de la batería para formar un recubrimiento que debilita su rendimiento.
Ahora, un equipo de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía ha encontrado una posible solución: envolver todas y cada una de las partículas de ánodo de silicio en una jaula hecha a medida hecha de grafeno, una forma pura de carbono que esel material más delgado y resistente conocido y un gran conductor de electricidad.
En un informe publicado el 25 de enero en Energía natural , describen un método simple de tres pasos para construir jaulas microscópicas de grafeno del tamaño adecuado: lo suficientemente espaciosas como para permitir que la partícula de silicio se expanda a medida que la batería se carga, pero lo suficientemente apretada como para mantener todas las piezas juntas cuando la partícula se desmorona, por lo que puede continuar funcionando a gran capacidad. Las jaulas fuertes y flexibles también bloquean las reacciones químicas destructivas con el electrolito.
"En las pruebas, las jaulas de grafeno en realidad mejoraron la conductividad eléctrica de las partículas y proporcionaron una alta capacidad de carga, estabilidad química y eficiencia", dijo Yi Cui, profesor asociado de SLAC y Stanford que dirigió la investigación. "El método puede seraplicado también a otros materiales de electrodos, lo que hace que los materiales de batería de bajo costo y densos en energía sean una posibilidad realista "
La búsqueda de ánodos de silicio
Las baterías de iones de litio funcionan moviendo iones de litio de un lado a otro a través de una solución electrolítica entre dos electrodos, el cátodo y el ánodo. La carga de la batería fuerza a los iones al ánodo; el uso de la batería para hacer el trabajo mueve los iones de regresocátodo.
Cuando se trata de fabricar ánodos de silicio, los científicos se han visto obstaculizados por el hecho de que el silicio se hincha a tres veces su tamaño normal durante la carga. Para Cui y sus colaboradores, la búsqueda primero condujo a ánodos hechos de nanocables o nanopartículas de silicio, queson tan pequeños que es mucho menos probable que se rompan. El equipo ideó una variedad de formas de confinar y proteger las nanopartículas de silicio, desde estructuras que se asemejan a granadas hasta recubrimientos hechos de polímeros autorreparables o hidrogeles de polímeros conductores como los utilizados enlentes de contacto blandas, pero estas solo tuvieron un éxito parcial; la eficiencia de los ánodos resultantes aún no era lo suficientemente alta y las nanopartículas son caras y difíciles de fabricar.
"Este nuevo método nos permite usar partículas de silicio mucho más grandes que son de una a tres micras, o millonésimas de metro, de diámetro, que son baratas y ampliamente disponibles", dijo Cui. "De hecho, las partículas que utilizamos sonmuy similar al desperdicio creado al fresar lingotes de silicio para hacer chips semiconductores; son como trozos de aserrín de todas las formas y tamaños. Partículas de este tamaño nunca antes se han desempeñado bien en ánodos de batería, por lo que este es un nuevo logro muy emocionante, ycreemos que ofrece una solución práctica "
Todo está en el revestimiento
Para que las jaulas de grafeno funcionen, tienen que ajustarse exactamente a las partículas de silicio. Los científicos lograron esto en una serie de pasos: primero recubrieron las partículas de silicio con níquel, que se puede aplicar en el grosor adecuado. Luego crecieron capasde grafeno en la parte superior del níquel; felizmente, el níquel actúa como un catalizador para promover el crecimiento del grafeno. Finalmente grabaron el níquel, dejando suficiente espacio dentro de la jaula de grafeno para que la partícula de silicio se expanda.
"Los investigadores han probado una serie de otros recubrimientos para ánodos de silicio, pero todos redujeron la eficiencia del ánodo", dijo el investigador postdoctoral de Stanford Kai Yan, quien realizó los experimentos con el estudiante graduado Yuzhang Li. "Las jaulas de grafeno ajustadas a la forma sonel primer recubrimiento que mantiene una alta eficiencia, y las reacciones pueden llevarse a cabo a temperaturas relativamente bajas ".
Ahora el equipo trabajará para ajustar el proceso, agregó Li, y para producir partículas de silicio enjauladas en cantidades lo suficientemente grandes como para construir baterías a escala comercial para las pruebas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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