Un equipo de investigadores de dos universidades chinas y otra americana han logrado desarrollar un ánodo para una batería de litio que contiene un 92% de silicio. Incluyendo una gran cantidad de silicio en el ánodo de las baterías de litio se logra incrementar significativamente su capacidad energética y su vida útil. Sin embargo, la inestabilidad de este material ha llevado a que, hasta ahora, tan solo se pudiera integrar en un 15%, lo que no ha permitido aprovechar sus grandes ventajas.

El objetivo de los numerosos programas de investigación y desarrollo de nuevos materiales para los elementos que componen una batería de litio es reducir el peso y volúmenes totales, aumentar la capacidad energética y alargar su vida útil, manteniendo al menos las mismas condiciones de seguridad. La aplicación de estos desarrollos en dos sectores clave como la electrónica de consumo y a los vehículos eléctricos implicaría un cambio radical en las comunicaciones y en el transporte.

El silicio (Si) es uno de los materiales que han recibido mayor atención por parte de los investigadores para formar parte del ánodo de las baterías de litio. Su capacidad energética teórica, 3.579 mAh/g, supone un aumento de la energía que puede acumular de casi diez veces más que una batería actual, para un mismo volumen. Además, el silicio aporta otras ventajas como un coste muy bajo, ya que es el segundo material más abundante en la corteza terrestre, y su avanzada tecnologías de procesamiento dado su uso habitual en el hardware informático y en los equipos de telecomunicaciones.

Sin embargo, el ciclo de carga y descarga en una celda de batería de este tipo se vuelve muy reactivo con el electrolito, y, en consecuencia, el proceso degrada la celda reduciendo significativamente su ciclo de vida. En consecuencia dos son los desafíos a superar por las baterías de silicio. El primero es el enorme cambio de volumen durante los ciclos de carga y descarga, más de un 300% sobre el inicial. El segundo es la baja conductividad eléctrica, que reduce significativamente la estabilidad y el proceso cinético de los electrodos. De hecho, para mantener la integridad del electrodo, la industria ha tenido que usar una cantidad relativamente baja de silicio (<15%) en relación con la masa total, para poder comercializar estos ánodos. Este bajo contenido reduce la ventaja que el silicio ofrece respecto a la capacidad energética que pueden ofrecer estas baterías.

Diseño del ánodo de Silicio Si@CNT/C-microscroll (a): microdesplazamiento antes y después del ciclo electroquímico. (b): Imagen del microscopio electrónico de un Si @ CNT / C-microscroll. (c): Imagen de microscopio electrónico de un microscroll. (d): Muestra de la porosidad de los rollos de carbón de celulosa.

Un equipo de las universidades chinas de Zhejiang A&F, de Ciencia y Tecnología de Huazhong (HUST) y la universidad estadounidense de Stanford ha trabajado sobre la composición de un ánodo libre de aglutinante, flexible y autónomo compuesto por un 92% de silicio. El resultado obtenido ofrece una nueva forma de diseñar electrodos con un alto contenido de material activo que tiene su principal aplicación en las baterías de alto rendimiento de los vehículos eléctricos.

En el artículo publicado por la revista RSC Energy & Environmental Science, los científicos muestran una estructura con una capacidad específica muy alta, 2.700 mAh/g y una capacidad superficial de 5,58 mA/cm²). Según los investigadores, muestra una excelente estabilidad ante los ciclos de carga y descarga manteniendo un 85% del silicio después de 300 ciclos.

En la estructura del ánodo “Si@CNT/C-microscroll”, las nanopartículas de silicio recubiertas de carbono se adhieren formando nanotubos conductores que posteriormente se confinan en rollos de carbón de celulosa. De esta forma se integran una serie de huecos internos que absorben la expansión en volumen del de silicio. Según indican los investigadores, “en este estudio, diseñamos una estructura que admite un microdesplazamiento de la base de celulosa para lograr un contenido en silicio del 92% sin emplear ningún tipo de aglutinante, además de investigar su funcionamiento en un ánodo flexible, libre de aglomerante y autónomo”.