Una investigación liderada por Warwick Manufacturing Group (WMG) en la Universidad de Warwick, Reino Unido, ha logrado reemplazar el grafito en los ánodos de las baterías de iones de litio con silicio usando pequeñas estructuras de grafeno como refuerzo, para de esta forma duplicar la vida útil de las baterías usadas por los coches eléctricos.
El grafito ha sido usado en los ánodos de las baterías de litio desde siempre, pero los investigadores y fabricantes han buscado durante mucho tiempo una forma de reemplazar el grafito por silicio, ya que es un elemento abundantemente disponible con 10 veces la densidad de energía gravimétrica del grafito. Sin embargo, no han podido resolver los problemas de rendimiento del silicio, siendo el principal limitante para su explotación comercial.
Debido a la expansión de volumen que ocurre tras la litiación, las partículas de silicio pueden aglomerarse electroquímicamente de forma que impiden una mayor eficacia de carga-descarga a lo largo del tiempo. El silicio tampoco es lo suficientemente elástico como para soportar la tensión de la litiación cuando se carga repetidamente, lo que produce agrietamiento, pulverización y una rápida degradación física de la microestructura compuesta del ánodo, lo que contribuye significativamente al desvanecimiento de la capacidad.
Se han realizado numerosos intentos para solucionar este problema. Por ejemplo, se ha intentado con el uso de partículas de silicio de tamaño nanométrico y estructurado con grafeno del tamaño de una micra, pero no ha dado resultado. El uso de partículas de silicio de tamaño nano aumenta drásticamente la cantidad de superficie reactiva disponible, y se deposita mucho más litio en el silicio durante el primer ciclo de carga, formando así una barrera de electrólito sólido entre el silicio y el electrolito.
Sin embargo, una nueva investigación liderada por WMG, ha desarrollado una mezcla de ánodos de silicio y una forma de grafeno químicamente modificado que podría resolver estos problemas. La fórmula podría ser fabricada a escala industrial, sin la necesidad de recurrir al nano dimensionamiento del silicio y sus problemas asociados. El grafeno es, por supuesto, una sola capa gruesa de grafito mineral. Sin embargo, también es posible separar y manipular algunas capas conectadas de grafeno, lo que da un material al que los investigadores se refieren como grafeno de pocas capas (FLG, por sus siglas en inglés).
El estudio ha descubierto que el FLG también puede mejorar en gran forma el rendimiento de las partículas de silicio de tamaño micrométrico mayor cuando se utiliza en un ánodo. Tanto es así, que esta mezcla podría prolongar significativamente la vida de las baterías de iones de litio y también ofrecer una mayor capacidad de potencia. 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 en 100 ciclos de carga y descarga. El objetivo principal del proyecto es avanzar en la producción preindustrial de compuestos de silicio/grafeno y su posterior procesamiento en baterías de iones de litio para aplicaciones de alta energía, como los vehículos eléctricos.
