Cargando un futuro verde: Los últimos avances en baterías de iones de litio podrían hacerlas omnipresentes
Los científicos añaden un compuesto polimérico específico al ánodo de silicio de las baterías de iones de litio, lo que aumenta considerablemente su vida útil
Si piensa en una batería, lo más probable es que le venga a la mente el término ión-litio. Debido a su peso ligero, su alta densidad energética y su capacidad para suministrar tres veces más corriente que otros tipos de baterías recargables, las baterías de iones de litio (LIB) se han convertido en el tipo de batería dominante tanto en los dispositivos electrónicos de consumo de baja potencia, como los teléfonos móviles, como en las aplicaciones de alta potencia, como los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía.
Los aglutinantes poliméricos pueden hacer que las baterías de iones de litio sean aptas para su aplicación práctica en vehículos eléctricos y otros aparatos electrónicos avanzados, como los drones, gracias a los efectos estabilizadores que tienen sobre los ánodos de silicio.
Noriyoshi Matsumi from JAIST
Una batería de iones de litio típica consta hoy de un electrodo positivo (cátodo) formado por un compuesto que contiene litio, un electrodo negativo (ánodo) formado por grafito y un electrolito, la capa entre los electrodos por la que fluyen los iones. Cuando una batería se carga, los iones de litio fluyen desde el cátodo hasta el ánodo, donde se almacenan. Durante el proceso de descarga, el litio se ioniza y vuelve al cátodo.
En los últimos tiempos ha crecido el interés por utilizar silicio como material para el ánodo porque es más abundante, y por tanto barato, y tiene una capacidad de descarga teórica superior a la del grafito. Sin embargo, tiene una desventaja clave: la carga y descarga repetida hace que las partículas de silicio se expandan y se rompan. Esto da lugar a la formación de una gruesa interfaz sólido-electrolito (SEI) entre el electrolito y el ánodo, que dificulta el movimiento de los iones de litio entre los electrodos.
Para mejorar el rendimiento de los ánodos de silicio en las LIB, un equipo dirigido por el profesor Noriyoshi Matsumi, y en el que también participan el Dr. Agman Gupta y el profesor titular Rajashekar Badam, del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST), ha desarrollado un aglutinante para las partículas de silicio, que puede mejorar su estabilidad y mantener una fina capa SEI. Ahora bien, a diferencia de una capa SEI gruesa, una fina es beneficiosa porque impide que el ánodo y el electrolito reaccionen espontáneamente entre sí. Los resultados del estudio se publican en ACS Applied Energy Materials.
El aglutinante es un compuesto polimérico formado por un polímero conductor de tipo n, la poli(bisiminoacefenoquinona) (P-BIAN) y un polímero que contiene carboxilato, el poli(ácido acrílico) (PAA), cada uno de ellos unido al otro mediante enlaces de hidrógeno. La estructura del polímero compuesto mantiene unidas las partículas de silicio como una red y evita que se rompan. Los enlaces de hidrógeno entre los dos polímeros permiten que la estructura se autorrepare, ya que los polímeros pueden volver a unirse si se rompen en cualquier punto. Además, la capacidad de dopaje del P-BIAN mejora la conductividad del ánodo y mantiene un SEI fino al limitar la descomposición electrolítica del electrolito en el ánodo.
Para probar el aglutinante, los investigadores construyeron una semicelda anódica formada por nanopartículas de silicio con grafito (Si/C), el aglutinante (P-BIAN/PAA) y un aditivo conductor negro de acetileno (AB). El ánodo Si/C/(P-BIAN/PAA)/AB se sometió a un ciclo repetido de carga y descarga. Se observó que el aglutinante P-BIAN/PAA estabilizaba el ánodo de silicio y mantenía una capacidad de descarga específica de 2100 mAh g-1 durante más de 600 ciclos. En cambio, la capacidad del ánodo de silicio-carbón desnudo descendió a 600 mAh g-1 en 90 ciclos.
Tras la prueba, los investigadores desmontaron el ánodo y examinaron el material en busca de grietas que pudieran haberse producido por la rotura del silicio. Un examen espectroscópico y microscópico después de 400 ciclos reveló una estructura lisa con sólo unas pocas microgrietas, lo que indica que la adición del aglutinante fue capaz de mejorar la integridad estructural del electrodo y mantener un SEI uniforme.
Los resultados demuestran que la adición del aglutinante puede mejorar las características del ánodo de silicio y hacerlo prácticamente viable. "El diseño y la aplicación de nuevos compuestos poliméricos que comprenden polímeros conductores de tipo n (CP) y polímeros donadores de protones con redes de enlace de hidrógeno, como P-BIAN/PAA, tienen un futuro prometedor en los materiales de electrodos de alta capacidad", afirma el profesor Matsumi.
A medida que aumente la demanda de baterías de iones de litio, el silicio, que es el octavo material más abundante de la Tierra, será una prometedora alternativa ecológica al grafito. Las mejoras en su estabilidad estructural y su conductividad con el uso de aglutinantes lo harán más adecuado para su uso en las futuras baterías de iones de litio. "Este principio de diseño de aglutinante compuesto permitirá una mayor difusión de los vehículos eléctricos, la creación de otros vehículos impulsados por baterías y los drones, que requieren una mayor densidad de energía para un rendimiento avanzado", afirma el profesor Matsumi.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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