Salto adelante para usar silicio en baterías

El mismo material que se encuentra en la punta de un lápiz, el grafito, ha sido durante mucho tiempo un componente clave en las baterías de iones de litio actuales. Sin embargo, a medida que aumenta nuestra dependencia de estas baterías, los electrodos de grafito deben ser mejorados. Para ello, los científicos están buscando el elemento que está en el corazón de la revolución digital: el silicio.

Los científicos del Pacific Northwest National Laboratory del Departamento de Energía de los Estados Unidos han encontrado una forma novedosa de utilizar este prometedor pero problemático ingrediente de almacenamiento de energía. El silicio, utilizado en los chips de ordenador y en muchos otros productos, es atractivo porque puede soportar 10 veces la carga eléctrica por gramo en comparación con el grafito. El problema es que el silicio se expande enormemente cuando se encuentra con el litio, y es demasiado débil para soportar la presión de la fabricación de electrodos.

Para abordar estos problemas, un equipo dirigido por los investigadores del PNNL Ji-Guang (Jason) Zhang y Xiaolin Li desarrolló una nanoestructura única que limita la expansión del silicio mientras lo refuerza con carbono. Su trabajo, que se publicó recientemente en la revista Nature Communications, podría servir de base para nuevos diseños de materiales de electrodos para otros tipos de baterías y, con el tiempo, ayudar a aumentar la capacidad energética de las baterías de iones de litio de los automóviles eléctricos, dispositivos electrónicos, y otros equipos.

Como forma conductora y estable del carbono, el grafito es muy adecuado para empaquetar iones de litio en el ánodo de una batería mientras se carga. El silicio puede absorber más litio que el grafito, pero tiende a hincharse alrededor del 300 por ciento en volumen, haciendo que el ánodo se rompa. Los investigadores crearon una forma porosa de silicio agregando pequeñas partículas de silicio en microesferas de unos 8 micrómetros de diámetro, aproximadamente del tamaño de un glóbulo rojo.

Las microesferas de silicio tienen una extraordinaria resistencia mecánica debido a la adición de nanotubos de carbono que hacen que las esferas se asemejen a ovillos de hilo. En esta representación, la imagen de la izquierda ilustra un primer plano de una porción de una microesfera hecha de nanopartículas de silicio depositadas en nanotubos de carbono. (Foto: Michael Perkins/PNNL)

“Un material sólido como la piedra, por ejemplo, se romperá si se expande demasiado en volumen”, dijo Zhang. “Lo que hemos creado es más parecido a una esponja, donde hay espacio en el interior para absorber la expansión”.

El electrodo con estructura porosa de silicio exhibe un cambio en el espesor de menos del 20 por ciento mientras que acomoda el doble de la carga de un típico ánodo de grafito, según el estudio. Sin embargo, a diferencia de las versiones anteriores de silicio poroso, las microesferas también exhibían una extraordinaria resistencia mecánica, gracias a los nanotubos de carbono que hacen que las esferas se parezcan a ovillos de hilo.

Los investigadores crearon la estructura en varios pasos, comenzando por recubrir los nanotubos de carbono con óxido de silicio. A continuación, los nanotubos fueron puestos en una emulsión de aceite y agua. Luego se calentaron hasta la ebullición.

“Los nanotubos de carbono revestidos se condensan en forma de esferas cuando el agua se evapora”, dijo Li. “Luego usamos aluminio y calor aún más alto para convertir el óxido de silicio en silicio, seguido de la inmersión en agua y ácido para eliminar los subproductos”. Lo que emerge del proceso es un polvo compuesto por diminutas partículas de silicio en la superficie de los nanotubos de carbono.

La resistencia de las esferas de silicio poroso se probó con la sonda de un microscopio de fuerza atómica. Los autores encontraron que una de las esferas de hilo de tamaño nanométrico “puede ceder ligeramente y perder algo de porosidad bajo una fuerza de compresión muy alta, pero no se romperá”.

Esto es un buen augurio para la comercialización, ya que los materiales para ánodos deben ser capaces de soportar una alta compresión en los rodillos durante la fabricación. El siguiente paso, dijo Zhang, es desarrollar métodos más escalables y económicos para fabricar las microesferas de silicio para que un día puedan abrirse camino en la próxima generación de baterías de iones de litio de alto rendimiento.