La mejora continua de las baterías para aplicaciones a gran escala como los vehículos eléctricos significa la exploración de materiales alternativos. Una de las alternativas que los científicos ven como más viable y prometedora es el silicio. Un equipo de la Universidad de Clemson ha creado un nuevo diseño que permite superar algunos de los problemas inherentes a este material, gracias a la incorporación en el ánodo de las partículas de silicio insertadas en láminas tipo sándwich que tienen la propiedad de reducir su peso total, de aumentar la capacidad energética disponible y elevar la potencia de carga.

Durante mucho tiempo, los científicos han estado investigando el potencial del silicio en las baterías de iones de litio. El uso de este material como componente del ánodo, en lugar del grafito que se usa hoy en día, podría multiplicar por diez la capacidad de almacenamiento de estos dispositivos.

Sin embargo, antes de llegar a este resultado es necesario resolver algunos problemas inherentes al silicio. Este no exhibe la misma durabilidad que el grafito en un escenario tan exigente como es la batería de un vehículo eléctrico. Tiende a expandirse, contraerse y romperse en pedazos más pequeños a medida que se realizan los ciclos de carga y descarga. Esto provoca un deterioro del ánodo y, en consecuencia, un fallo total de la batería. Sin embargo, existen una serie de posibles soluciones, como es, por ejemplo, la transformación del silicio en nanofibras esponjosas o pequeñas nanoesferas antes de integrarlas en el dispositivo.

En este sentido, la investigación de la Universidad de Clemson busca apuntalar la fiabilidad de la estructura del ánodo con la ayuda de láminas de nanotubos de carbono, llamadas Buckypaper. Esta técnica se ha utilizado anteriormente en el desarrollo de escudos térmicos de próxima generación para la industria aeronáutica. Estas láminas de carbono se intercalan con pequeñas partículas de silicio de tamaño nanométrico en una disposición muy parecida a una baraja de cartas, según indica el equipo de investigadores.

“Las láminas independientes de nanotubos de carbono mantienen las nanopartículas de silicio conectadas eléctricamente entre sí”, explica Shailendra Chiluwal, autor principal del estudio. “Estos nanotubos forman una estructura cuasi-tridimensional, mantienen juntas las nanopartículas de silicio incluso después de 500 ciclos de carga y descarga y mitigan la resistencia eléctrica que surge de la rotura de las nanopartículas”.

Diminutas partículas de silicio de tamaño nanométrico se disponen como una baraja de cartas, con las partículas de silicio intercaladas entre cada capa.

La característica diferenciadora de este enfoque, es que incluso si la carga y descarga de la batería hace que las partículas de silicio se rompan, estas se mantienen encerradas dentro del sándwich y pueden seguir realizando su función. Esto significa que, en teoría, esta batería, ya funcional aunque todavía experimental, ofrece una capacidad energética mucho mayor, de manera que la energía se puede almacenar en celdas mucho más ligeras, reduciendo el peso total del dispositivo.

Como beneficio adicional, el uso de estos nanotubos crea un mecanismo de amortiguación que, según los científicos, permite que las baterías se carguen cuatro veces más rápido que las baterías de litio convencionales.

Subvencionado por la NASA

Estas baterías livianas de carga rápida y alta capacidad podrían encontrar multitud de usos, además de los vehículos eléctricos. Dado que parte de la financiación para el proyecto proviene de la NASA, el equipo ve un potencial real en el espacio ya que estas baterías podrían usarse para alimentar satélites, trajes espaciales o los rovers de Marte. Actualmente ya están trabajando con socios de la industria con el fin de sacar esta tecnología del laboratorio y llevarla al mundo real.

“La mayoría de los satélites obtienen su energía principalmente del Sol”, asegura Ramakrishna Podila, otro de los autores del estudio. “Los satélites deben poder almacenar energía para alimentarse cuando se encuentren a la sombra de la Tierra. Tenemos que hacer que las baterías sean lo más livianas posible, ya que cuanto más pesa el satélite, más cuesta su misión”.