Una nueva preparación de ánodos de nueva generación mejora las baterías de iones de litio
La búsqueda de la próxima generación de materiales para los ánodos de las baterías de iones de litio ha sufrido durante mucho tiempo una serie de reacciones químicas parásitas en muchos de los sustitutos propuestos para el grafito que se utiliza convencionalmente. Una novedosa técnica de preparación de un material compuesto de silicio, monóxido y carbono parece destinada a conseguir por fin la eficiencia deseada sin las reacciones secundarias indeseadas.
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El 21 de diciembre de 2022 se publicó en la revista Nanoinvestigación el 21 de diciembre de 2022.
Desde finales de los años noventa, la mayoría de los fabricantes de baterías de iones de litio utilizan grafito como ánodo de la batería (el terminal negativo por el que entra la corriente eléctrica en la batería), en sustitución del carbón de coque. El cambio del coque al grafito, una forma de carbono, se hizo debido a su estabilidad a largo plazo durante muchos ciclos de recarga y descarga.
Pero para mejorar aún más el rendimiento de las baterías de iones de litio (y, de paso, abaratar y hacer más factible la transición desde los combustibles fósiles), los fabricantes de baterías necesitarán ánodos aún mejores.
Uno de los materiales sustitutivos del grafito que más se está promocionando son los compuestos a base de silicio, por su alta capacidad específica (velocidad de descarga) y su abundancia en la corteza terrestre. El monóxido de silicio, en particular, se ha mostrado muy prometedor para la próxima generación de baterías de iones de litio de alta potencia.
A pesar de ello, el monóxido de silicio presenta una serie de inconvenientes, como su baja conductividad inherente y su enorme variación de tamaño (volumen) a lo largo de los ciclos de recarga y descarga. Estas variaciones de volumen de hasta el 300% provocan la destrucción y el desprendimiento de los materiales del ánodo, lo que reduce radicalmente el rendimiento.
"Sin embargo, si el monóxido de silicio se combina en un material compuesto con carbono -una especie de mezcla entre el material de ánodo de grafito existente y el ánodo basado en silicio de nueva generación-, podríamos estar ante un ganador", afirma Zhengwen Fu, coautor del estudio y electroquímico del Laboratorio Clave de Catálisis Molecular y Materiales Innovadores de Shanghai de la Universidad de Fudan. "El compuesto ofrece lo mejor de ambos mundos. Pero incluso en este caso, hay muchos obstáculos que superar".
El carbono ofrece la ventaja de una alta conductividad eléctrica y su ya mencionada estabilidad estructural, y además experimenta una expansión de volumen mucho menor durante los ciclos. Su flexibilidad y capacidad lubricante también contribuyen a inhibir la expansión volumétrica del silicio. En conjunto, el ánodo compuesto ofrece una buena capacidad y un alto rendimiento durante los ciclos.
Desgraciadamente, la solución de una serie de problemas sólo ha dado lugar a otro: los ánodos compuestos de silicio, monóxido y carbono tienen una eficiencia coulómbica relativamente baja. La eficiencia coulómbica, a veces llamada eficiencia de corriente, se refiere a la relación entre la carga eléctrica total introducida en una batería y la carga total extraída de ella. (Culombio es el término utilizado para describir una unidad de carga eléctrica). Siempre se extrae menos de lo que se introduce, pero el objetivo es limitar al mínimo estas pérdidas inevitables. La eficiencia culombiana es de especial importancia para mejorar el rendimiento y reducir el coste de la colosal cantidad de baterías que necesitaremos para electrificar los vehículos y para que los sistemas de almacenamiento de energía respalden fuentes variables de energía renovable como la eólica y la solar.
Durante el primer ciclo de una batería de iones de litio que utiliza un ánodo compuesto de silicio, monóxido y carbono, parte del litio reacciona irreversiblemente con el compuesto, produciendo "productos de degradación" que forman una capa entre la superficie del ánodo y el electrolito llamada interfase electrolítica sólida, o SEI. Este proceso parásito de "litiación" provoca a su vez una pérdida de litio activo y de eficiencia coulómbica.
Para superar estos problemas, los investigadores desarrollaron una novedosa técnica de "prelitiación", que consiste en almacenar litio adicional en la batería para compensar el litio consumido por las reacciones parásitas durante el ciclo de la batería. Otros investigadores habían desarrollado sus propias técnicas de prelitiación, normalmente con litio metálico puro, litio metálico modificado o un compuesto que contiene litio. Todos estos métodos tienen sus propias limitaciones. Por ejemplo, los compuestos que contienen litio tienden a liberar un gas tras la litiación durante los ciclos, lo que reduce el rendimiento del ánodo y la densidad energética de la batería en su conjunto.
La nueva técnica de prelitiación, que los investigadores denominan "corrosión del litio en estado sólido", elimina estos problemas sustituyendo el electrolito líquido (el medio a base de litio que permite el transporte de iones entre el ánodo y su homólogo positivo, el cátodo, de una batería) por un electrolito sólido compuesto de oxinitruro de fósforo de litio incorporado con carbono, o LiCPON. De este modo no sólo se evitan las diversas reacciones secundarias no deseadas asociadas al litio metálico, sino que se produce una interfaz mejor entre el ánodo y el electrolito.
Los investigadores pudieron comprobar si el proceso de prelitiación de la corrosión en estado sólido funcionaba según lo previsto mediante imágenes ópticas, microscopía electrónica y difracción de rayos X, tres métodos diferentes de ver las reacciones electroquímicas en tiempo real. La técnica mejoró el ánodo en casi un 83% con respecto a un electrodo de prelitiación con electrolito líquido.
Los investigadores, que han probado su concepto en "pilas monedero" -pilas a pequeña escala destinadas a la investigación y el desarrollo de baterías de laboratorio-, quieren ahora demostrar el proceso con baterías de uso industrial.
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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