Crean baterías más ligeras y rápidas de cargar con un ánodo de partículas de silicio nanométricas

Durante mucho tiempo, los científicos han estado investigando el potencial del silicio en las baterías de ion-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.

Pero, para ello, es necesario resolver algunos problemas inherentes al silicio, ya que este no tiene 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.

Y esto es lo que ha hecho un equipo de la Universidad de Clemson, en Carolina del Sur, al crear un nuevo diseño que permite superar algunos de los problemas, 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, aumentar la capacidad energética disponible y elevar la potencia de carga.

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 Bucky paper. 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 (ver esquema gráfico).

“Las láminas independientes de nanotubos de carbono mantienen las nanopartículas de silicio conectadas eléctricamente entre sí”, explica Shailendra Chiluwal, autor principal del estudio (foto arriba). “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”.

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 probada 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.