Un equipo de investigadores de la Universidad de San Diego, especialistas en nanoestructuras, ha logrado una batería de silicio con electrolito sólido capaz de soportar 500 ciclos de carga y descarga manteniendo el 80% de su capacidad. Con una densidad de energía diez veces superior a la de las baterías de litio convencionales, con ánodos de grafito y electrolito líquido, el resultado de la estabilidad lograda por la celda a escala de laboratorio ha sorprendido incluso a los ingenieros que la crearon.
Los ánodos de silicio son reconocidos por su gran densidad energética, que es hasta 10 veces mayor que la de los ánodos formados por una estructura de grafito, que es la que habitualmente se emplea en las baterías comerciales de iones de litio. Por otro lado también tienen el inconveniente de que se expanden y se contraen en cada ciclo de carga y descarga, de manera que al combinarse con un electrolito líquido sufren de una alta degradación. Este inconveniente es el hándicap fundamental que ha mantenido a los ánodos de silicio alejados de las baterías de iones de litio.
Una investigación realizada por un equipo de ingenieros especialistas en nanoestructuras de la Universidad de California en San Diego promete un nuevo camino para este tipo de ánodos de manera que sea posible aprovechar su gran densidad de energía. Dicho estudio ha sido publicado en la revista Science y apoyado por la empresa coreana LG Energy Solution.
Las baterías sólidas, que prometen convertirse en la siguiente generación al ofrecer altas densidades de energía, siempre se han basado en ánodos de litio metálico. Sin embargo, esta condición impone restricciones en las tasas de recarga de la batería, un proceso que no debería superar los 60ºC para evitar las altas degradaciones. El ánodo de silicio supera estas limitaciones, permitiendo velocidades de carga mucho más elevadas a temperaturas bajas, al tiempo que mantiene la alta densidad de energía.
Durante la últimas décadas, los científicos y los fabricantes de baterías han considerado el silicio como un material capaz de para mezclarse o incluso reemplazar por completo a los ánodos de grafito convencionales en las baterías de iones de litio. En teoría, el silicio ofrece aproximadamente diez veces la capacidad de almacenamiento del grafito. Sin embargo, en la práctica, las baterías de iones de litio dopados con silicio en el ánodo para aumentar la densidad de energía sufren problemas de rendimiento en lo que se refiere a la cantidad de ciclos de carga y descarga que puede soportar sin degradarse, lo que limita su rendimiento.
Gran parte del problema se debe a la interacción entre los ánodos de silicio y los electrolitos líquidos. Además, su funcionamiento se complica por la expansión en volumen de partículas de silicio durante la carga y descarga, dando como resultado graves pérdidas de capacidad a lo largo del tiempo.
Los esfuerzos anteriores para comercializar ánodos de silicio se han centrado principalmente en compuestos de silicio-grafito o en la combinación de partículas nanoestructuradas con aglutinantes poliméricos que no lograban mayor estabilidad. Tal y como indica Shirley Meng, profesora de nanoingeniería de UC San Diego, "necesitábamos un enfoque totalmente diferente". Eliminaron el carbono y los aglutinantes que acompañan a los ánodos de silicio y utilizaron micro-silicio, que es un material menos procesado y menos costoso que el nano-silicio que se usa con más frecuencia.
Además, el equipo también sustituyó el electrolito líquido por uno sólido a base de sulfuro que es extremadamente estable en baterías con ánodos silicio. Hasta ahora se creía que los electrolitos sólidos a base de sulfuro eran muy inestables. Sin embargo, esta conclusión se basaba en las interpretaciones termodinámicas tradicionales utilizadas en los sistemas de electrolitos líquidos que no tuvieron en cuenta la excelente estabilidad cinética de los electrolitos sólidos. El equipo vio la oportunidad de utilizar esta propiedad contradictoria para crear un ánodo altamente estable.
Así es el funcionamiento de esta batería a escala de laboratorio: 1) La batería de estado sólido consta de un cátodo, un electrolito sólido de sulfuro y un ánodo de micro-silicio libre de carbono. 2) Antes de la carga, las partículas de silicio a microescala discretas forman el ánodo denso en energía. Durante la carga de la batería, los iones de litio positivos se mueven desde el cátodo al ánodo y se forma una interfaz 2D estable. 3) A medida que más iones de litio se mueven hacia el ánodo, este reacciona con el micro-silicio para formar partículas interconectadas de aleación de litio-silicio (Li-Si). La reacción continúa propagándose por todo el electrodo. 4) La reacción provoca la expansión y densificación de las micropartículas de silicio, formando un electrodo denso de aleación de Li-Si. Las propiedades mecánicas de la aleación de Li-Si y el electrolito sólido tienen un papel crucial en el mantenimiento de la integridad y el contacto a lo largo del plano interfacial 2D. Imagen y texto: University of California San Diego.
Con estas modificaciones, los investigadores evitaron muchos de los inconvenientes que surgen cuando los ánodos de silicio se empapan en el electrolito líquido orgánico. La eliminación del carbono reduce significativamente el contacto interfacial y las reacciones secundarias no deseadas que se producen con el electrolito sólido, evitando la pérdida continua de capacidad que suele ocurrir con los electrolitos de base líquida.
Esta doble estrategia permitió aprovechar los beneficios que ofrecen las propiedades del silicio, un material de bajo coste, alta energía y ambientalmente benigno. El equipo de investigadores mostró que una celda completa, a escala de laboratorio, es capaz de resistir 500 ciclos de carga y descarga reteniendo el 80% de su capacidad a temperatura ambiente, lo que representa un progreso muy importante para el futuro de estas baterías en su uso en vehículos eléctricos.
"Con esta configuración de batería, estamos abriendo un nuevo territorio para las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de aleación como el silicio", asegura Darren HS Tan, autor principal del artículo. El resultado, "nos presenta oportunidades interesantes para satisfacer las demandas del mercado: baterías con mayor energía volumétrica más alta, costes reducidos y más seguras", añade.
La startup, UNIGRID Battery, de la que Tan es CEO y cofundador, ha licenciado la tecnología resultante del estudio para aplicarlas a las baterías de silicio en estado sólido. Paralelamente, la Universidad de San Diego continuará con el trabajo manteniendo la colaboración con LG Energy Solution. "Con este hallazgo, LG Energy Solution está mucho más cerca las baterías sólidas, lo que diversificaría enormemente nuestra línea de productos de baterías", ha declarado Myung-hwan Kim, presidente y director de adquisiciones de LG Energy Solution.
