Innovador electrodo de batería fabricado con espuma de estaño
Los electrodos metálicos de las baterías de iones de litio prometen capacidades mucho mayores que los electrodos de grafito convencionales. Por desgracia, se degradan debido a las tensiones mecánicas durante los ciclos de carga y descarga. Un equipo de HZB ha demostrado ahora que una espuma de estaño muy porosa puede absorber mucho mejor la tensión mecánica durante los ciclos de carga. Esto convierte a las espumas de estaño en un interesante material potencial para las baterías de litio.
Las baterías modernas de iones de litio suelen basarse en un electrodo de grafito multicapa, mientras que el contraelectrodo suele ser de óxido de cobalto. Durante la carga y la descarga, los iones de litio migran al interior del grafito sin provocar cambios de volumen significativos en el material. Sin embargo, la capacidad del grafito es limitada, lo que convierte la búsqueda de materiales alternativos en un apasionante campo de investigación. Los electrodos metálicos, por ejemplo de aluminio o estaño, ofrecen potencialmente una mayor capacidad. Sin embargo, tienden a aumentar considerablemente de volumen cuando absorben litio, lo que se asocia a cambios estructurales y fatiga del material.
Una opción para conseguir electrodos metálicos que se "fatiguen" menos rápidamente es nanoestructurar las finas láminas metálicas. Otra opción es el uso de espumas metálicas porosas. El estaño es un metal especialmente atractivo porque tiene casi tres veces más capacidad por kilogramo que el grafito y, además, no es una materia prima rara, sino que está disponible en abundancia.
Un equipo de investigadores del Centro Helmholtz de Berlín (HZB) ha investigado distintos tipos de electrodos de estaño durante los procesos de descarga y carga utilizando imágenes de rayos X operando y ha desarrollado un enfoque innovador para abordar este problema. Parte de estas investigaciones se llevaron a cabo en la BAMline de BESSY II. Además, se tomaron imágenes radioscópicas de rayos X de alta resolución en colaboración con los expertos en imágenes Dr. Nikolai Kardjilov y Dr. André Hilger en HZB. "Esto nos permitió seguir los cambios estructurales en los electrodos de Sn-metal investigados durante los procesos de carga y descarga", explica la Dra. Bouchra Bouabadi, que dirigió el estudio experimental. En colaboración con el Dr. Sebastian Risse, experto en baterías, muestra cómo cambia la morfología de los electrodos de estaño durante el funcionamiento debido a la absorción no homogénea de iones de litio.
El Dr. Francisco García-Moreno produjo la mejor versión del electrodo de estaño: Una espuma de estaño con innumerables poros de tamaño micrométrico. "Pudimos demostrar que en una espuma de estaño de este tipo se produce una tensión mecánica significativamente menor durante la expansión de volumen", afirma el Dr. Risse. Esto convierte a las espumas de estaño en un interesante material potencial para las baterías de litio".
García-Moreno ya ha investigado numerosas espumas metálicas, incluidas las destinadas a componentes de la industria automovilística y espumas de aluminio para electrodos de baterías. "Las espumas de estaño que hemos desarrollado en la Universidad Técnica de Berlín son muy porosas y una alternativa interesante a los materiales de electrodos tradicionales", afirma. La estructura de las espumas de estaño es crucial para minimizar la tensión mecánica. La tecnología de la espuma de estaño también podría ser interesante desde el punto de vista económico: "Aunque la espuma de estaño es más cara que las láminas de estaño convencionales, ofrece una alternativa más rentable a la costosa nanoestructuración, al tiempo que puede almacenar una cantidad significativamente mayor de iones de litio y permitir así un aumento de la capacidad."
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Publicación original
Bouchra Bouabadi, André Hilger, Paul H. Kamm, Tillmann R. Neu, Nikolay Kardjilov, Michael Sintschuk, Henning Markötter, Thomas Schedel‐Niedrig, Daniel Abou‐Ras, Francisco García‐Moreno, Sebastian Risse; "Morphological Evolution of Sn‐Metal‐Based Anodes for Lithium‐Ion Batteries Using Operando X‐Ray Imaging"; Advanced Science, 2025-1-17
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