Cómo el silicio puede mejorar el rendimiento de las baterías de estado sólido
Investigadores de Alemania y Canadá analizan el potencial del silicio como material alternativo para electrodos
Las baterías de alto rendimiento son necesarias para una amplia gama de aplicaciones y su demanda crece rápidamente. Por eso, la investigación y el desarrollo de sistemas electroquímicos de almacenamiento de energía, también para la electromovilidad, es uno de los campos de trabajo más importantes de la ciencia de los materiales en todo el mundo. La atención no sólo se centra en las capacidades y velocidades de carga de las baterías, sino también en la vida útil, la seguridad, la disponibilidad de materias primas y el balance de CO2. En este contexto, los químicos Dr. Hanyu Huo y Prof. Dr. Jürgen Janek (ambos de la Universidad Justus Liebig de Giessen), la física Prof. Dra. Kerstin Volz (Universidad de Marburgo), el científico de materiales Dierk Raabe (Instituto Max Planck para la Investigación del Hierro, Düsseldorf) y el científico teórico de materiales Prof. Dr. Chandra Veer Singh (Universidad de Toronto, Canadá) y sus equipos han investigado las propiedades de los ánodos de silicio en las baterías de estado sólido. Han llegado a la conclusión de que estos ánodos tienen un gran potencial para mejorar el rendimiento de estas baterías. Sus hallazgos sobre la estabilidad, la quimiomecánica y el comportamiento ante el envejecimiento de los electrodos de silicio se han publicado ahora en la revista "Nature Materials".
Para las investigaciones, el equipo de investigadores combinó diversos métodos experimentales y teóricos para evaluar cuantitativamente el transporte de litio en el electrodo, el fuerte cambio mecánico de volumen del silicio durante los procesos de carga y descarga y la reacción con el electrolito sólido. "Este análisis exhaustivo y fundamental es un paso importante hacia el posible uso del silicio como material de electrodos en baterías de estado sólido, que actualmente es objeto de una intensa investigación internacional", afirma el profesor Janek, uno de los autores del estudio.
La batería de estado sólido es un concepto avanzado de la batería de iones de litio, que actualmente funciona con un electrolito orgánico líquido. El objetivo final es utilizar un electrolito sólido, que promete unas propiedades de almacenamiento aún mejores, una vida útil más larga y una mayor seguridad. El desarrollo de baterías de estado sólido es objeto de intensa investigación en todo el mundo desde hace unos diez años, y el equipo de Giessen dirigido por el profesor Jürgen Janek es uno de los principales grupos académicos en este campo.
Durante el proceso de carga de una batería, el litio se absorbe en el electrodo negativo, el ánodo. "Esto hace que el silicio del ánodo de la batería se expanda varios cientos por ciento, lo que provoca considerables problemas mecánicos en una batería de estado sólido", explica el Prof. Janek. "Además, los electrolitos sólidos favorecidos reaccionan con el litio almacenado, lo que también provoca pérdidas de capacidad. Nuestro trabajo recientemente publicado evalúa estos aspectos cuantitativamente en detalle por primera vez".
En el desarrollo de baterías de estado sólido más potentes que puedan competir con las convencionales de iones de litio, el ánodo debería estar formado por un material con una capacidad de almacenamiento especialmente alta, idealmente un metal de litio. Sin embargo, esto conlleva el riesgo de cortocircuitos internos en condiciones de funcionamiento, por lo que se está investigando el silicio como alternativa con una capacidad de almacenamiento igualmente alta. "Nuestros resultados demuestran que el ánodo de silicio tiene un potencial considerable para su uso en baterías de estado sólido, que podría aprovecharse adaptando inteligentemente las interfaces de la batería", afirma el profesor Janek. Para superar el envejecimiento químico y quimiomecánico de los ánodos de silicio se necesitan conceptos materiales adicionales. Una parte de esta solución podría ser una capa intermedia de polímero, como ya ha podido demostrar el equipo de investigadores de Alemania y Canadá.
Los profesores Janek y Volz llevan varios años colaborando estrechamente en la investigación de nuevos materiales para baterías. El trabajo que ahora se publica requirió el uso de métodos teóricos adicionales disponibles en el MPI de Investigación de Metales del departamento del Prof. Raabe (simulaciones quimiomecánicas de campo de fase) y el grupo de trabajo del Prof. Singh en la Universidad de Toronto (cálculos DFT).
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