Las limitaciones de las baterías de litio obligan a la ciencia a encontrar nuevas formas de mejorar las prestaciones de las mismas. El ánodo de grafito es uno de los elementos propicios para ello.
Los fabricantes de baterías de iones de litio llevan mucho tiempo buscando materiales mejores para sus ánodos, ya que el grafito utilizado actualmente presenta varios inconvenientes que no le permiten ser la solución ideal.
Una técnica recientemente publicada en Nano Research parece haber encontrado la solución con un material compuesto de silicio-monóxido-carbono, que parece ofrecer las mejoras en la eficiencia deseadas, pero sin las reacciones secundarias que la industria quiere evitar.
Los investigadores han desarrollado una técnica de «prelitiación» que almacena litio adicional en la batería para compensar el litio consumido
El monóxido de silicio, en particular, ha demostrado ser muy prometedor como ánodo de próxima generación de baterías debido a su alta capacidad específica y su abundancia en la Tierra, pero tiene problemas de conductividad y cambios masivos de tamaño en los ciclos de carga y descarga. Esto resulta en la destrucción y el desprendimiento del material del ánodo, así como en una reducción significativa del 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 próxima generación, podríamos tener un ganador», dijo Zhengwen Fu, coautor del estudio y electroquímico del Laboratorio Clave de Catálisis Molecular y Materiales Innovadores de Shanghai en la Universidad de Fudan. «El compuesto ofrece lo mejor de ambos mundos. Pero incluso aquí, hay muchos obstáculos que superar».
Mejorar la eficiencia Coulombic
El carbono es un material con una alta conductividad eléctrica y estabilidad estructural, y experimenta una expansión de volumen menor durante el ciclo de carga y descarga.
Su flexibilidad y capacidad lubricante también ayudan a inhibir la expansión de volumen del silicio. En general, el ánodo compuesto que utiliza carbono tiene una buena capacidad y un alto rendimiento cíclico.
Los ánodos compuestos de silicio-monóxido-carbono tienen una eficiencia Coulombic relativamente baja. La eficiencia Coulombic, también conocida como eficiencia actual, se refiere a la relación entre la carga total puesta en una batería y la carga total extraída de ella.
Siempre habrá pérdidas en esta relación, pero se busca minimizarlas al máximo. La eficiencia Coulombic es importante para mejorar el rendimiento y reducir el coste de la gran cantidad de baterías necesarias para la electrificación de vehículos y los sistemas de almacenamiento de energía que respaldan fuentes variables de energía renovable como la eólica y la solar.
Proceso de prelitiación
Cuando se usa un ánodo compuesto de carbono y monóxido de silicio en una batería de iones de litio, parte del litio reacciona irreversiblemente con el compuesto durante el primer ciclo, formando una capa llamada interfase electrolítica sólida (SEI) entre la superficie del ánodo y el electrolito.
Este proceso de «litiación» resulta en la pérdida de litio activo y eficiencia Coulombic. Para solucionar este problema, los investigadores han desarrollado una técnica de «prelitiación» que almacena litio adicional en la batería para compensar el litio consumido durante el ciclo de la batería.
La nueva técnica de «corrosión del litio en estado sólido» reemplaza el electrolito líquido con uno sólido compuesto de oxinitruro de fósforo y litio con carbono incorporado (LiCPON), lo que evita las reacciones secundarias no deseadas y produce una mejor interfaz entre el ánodo y el electrolito.
Los investigadores han demostrado el éxito de la técnica a través de imágenes ópticas, microscopía electrónica y difracción de rayos X, y han observado un impulso del 83 % en el ánodo en comparación con un electrodo de pre litiación utilizando un electrolito líquido.
Tras haber probado su concepto en «pilas de moneda», que son baterías a pequeña escala utilizadas en la investigación y el desarrollo de baterías de laboratorio, los investigadores quieren demostrar el proceso con baterías de grado industrial.
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