Mejora sustancial de las baterías de iones de litio gracias a nanopartículas

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Potentes, portátiles y recargables, las baterías de iones de litio son componentes cruciales de la tecnología moderna, y podemos encontrarlos en smartphones, computadores portátiles y vehículos eléctricos.

Tradicionalmente, el ánodo de una batería de iones de litio es de grafito, pero este material de carbono tiene grandes limitaciones.

Cuando se carga una batería, los iones de litio se ven obligados a pasar de un lado de la batería (el cátodo) al otro lado de la batería (el ánodo), a través de una solución electrolítica.

Después, cuando se utiliza la batería, los iones de litio vuelven al cátodo y se libera una corriente eléctrica.

Pero en los ánodos de grafito se necesitan seis átomos de carbono para almacenar un ion de litio, por lo que la densidad energética de estas baterías es baja.

Mejorar la densidad energética de las baterías de iones de litio no solo permitiría aprovecharlas mejor para sus aplicaciones actuales sino que además abriría la puerta a usarlas en otras aplicaciones.

Por eso, se dedican grandes esfuerzos a buscar nuevos materiales que puedan aumentar la cantidad de iones de litio almacenados en el ánodo.

Uno de los candidatos más prometedores es el silicio.

Un solo átomo de él es capaz de mantener almacenados cuatro iones de litio.

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Los ánodos de silicio pueden almacenar diez veces más carga en un volumen determinado que los de grafito, lo que supone un orden de magnitud superior en términos de densidad energética.

El problema es que, cuando los iones de litio entran en el ánodo, el cambio de volumen es enorme, hasta un 400% aproximadamente, lo que hace que el electrodo no tarde mucho en agrietarse y romperse.

El gran cambio de volumen también impide la formación estable de una capa protectora entre el electrolito y el ánodo.

Cada vez que se carga la batería, esta capa se remodela, lo que, entre otros problemas, reduce la vida útil de la batería.

Un equipo que incluye a Marta Haro (del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) en Japón y ahora en la Universidad de Zaragoza en España) y a Panagiotis Grammatikopoulos (del OIST) ha conseguido crear un ánodo más robusto capaz de resistir estas tensiones, que puede absorber más litio y soportar muchos más ciclos de carga y descarga.

La estrategia para lograrlo ha sido construir una estructura utilizando nanopartículas.

A medida que los átomos de silicio van siendo depositados sobre una capa de nanopartículas de tantalio, no forman una película uniforme.

En vez de eso, forman columnas en forma de conos invertidos, que se van ensanchando a medida que se depositan más átomos de silicio.

Finalmente, las columnas individuales de silicio se tocan entre sí, formando una especie de estructura abovedada que cobra entonces una gran robustez.

Y, lo que es más importante, la mayor robustez de la estructura también va unida a un mayor rendimiento de la batería.

La batería de iones de litio pasa entonces a tener una mayor capacidad de carga.

La capa protectora también se vuelve más estable, lo que significa que la batería puede soportar más ciclos de carga y descarga.

Estas mejoras solo se producen en el momento preciso en que las columnas se tocan.

Antes de este momento, los pilares individuales se tambalean y, por tanto, no pueden proporcionar integridad estructural al ánodo.

Y si la deposición de silicio continúa después de que los pilares se toquen, se crea una película porosa con muchos huecos, lo que da lugar a una consistencia esponjosa y endeble.

Fuente: Noticias de la Ciencia