Los investigadores de Warwick Manufacturing Group (WMG), dependiente de la Universidad de Warwick, han dado un gran paso para reemplazar el grafito con silicona en los ánodos de las baterías de iones de litio.
Mediante la adición de vigas de grafeno, los científicos lograron superar los problemas de rendimiento inherentes al silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre con diez veces la densidad de energía gravimétrica del grafito, lo que aumenta la capacidad de la batería y también prolonga su vida en más de doble.
En las baterías típicas de ion-litio, el silicio tiene una gran capacidad de disiparse. Debido a su expansión de volumen tras la litiación, las partículas de silicio pueden aglomerarse electroquímicamente de forma que impidan una mayor eficacia de descarga de carga a lo largo del tiempo. Como el silicio no es lo suficientemente elástico como para soportar la tensión de litiación cuando se carga repetidamente, esto puede conducir al agrietamiento, la pulverización y la rápida degradación física de la microestructura compuesta del ánodo.
Sin embargo, los investigadores de la Universidad de Warwick, Inglaterra, descubrieron una nueva mezcla de ánodos, que podría fabricarse a escala industrial y sin la necesidad de recurrir al nano dimensionamiento del silicio y sus problemas asociados.
Separar y manipular unas pocas capas conectadas de grafeno dio a los investigadores un material de grafeno de pocas capas (FLG).
Según el estudio, titulado Estudios de impedancia relacionados con fases en sistemas compuestos de electrodos de silicio y grafeno (FLG) publicado en Nature Scientific Reports, el material FLG puede mejorar drásticamente el rendimiento de partículas de silicio de tamaño micrométrico cuando se utiliza en un ánodo.
Por lo tanto, los investigadores crearon ánodos que eran una mezcla de 60% de partículas de micro silicio, 16% de FLG, 14% de sodio / ácido poliacrílico y 10% de aditivos de carbono, y luego examinaron el rendimiento (y los cambios en la estructura del material) durante 100 ciclos de carga y descarga.
Tomando nota de que las escamas de FLG aumentan la resiliencia y las propiedades de tracción del material, reduciendo en gran medida el daño causado por la expansión física del silicio durante la litiación, la doctora Melanie Loveridge, que dirigió la investigación y es investigadora senior en WMG en la Universidad de Warwick, dijo: "Más importante aún, estas escamas de FLG también pueden resultar muy efectivas para preservar el grado de separación entre las partículas de silicio. Cada ciclo de carga de la batería aumenta las posibilidades de que las partículas de silicio se suelden entre sí electroquímicamente.
"Esta aglomeración aumentada reduce y restringe cada vez más el acceso de electrolitos a todas las partículas en la batería e impide la difusión efectiva de los iones de litio, lo que por supuesto degrada la vida de la batería y la potencia de salida. La presencia de FLG en la mezcla probada por la WMG University of Warwick llevó a los investigadores a formular la hipótesis de que este fenómeno es altamente efectivo para mitigar la fusión electroquímica de silicio".
El equipo de investigación ya ha comenzado a trabajar en este logro como parte de un proyecto de dos años liderado por Varta Microinnovations, junto con Cambridge University, CIC, Lithops y IIT (Instituto Italiano de Tecnología) en la producción preindustrial de compuestos de silicio / grafeno y procesamiento en baterías de ion-litio para aplicaciones de alta energía y alta potencia.
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