El mismo material que encontrará en la punta de un lápiz, el grafito, ha sido durante mucho tiempo un componente clave en las baterías de iones de litio de la actualidad. Sin embargo, a medida que aumenta nuestra dependencia de estas baterías, se deben electrodos a base de grafitouna actualización. Para eso, los científicos están buscando el elemento central de la revolución digital: el silicio.
Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. Han ideado una nueva forma de utilizar este prometedor pero problemático ingrediente de almacenamiento de energía. El silicio, utilizado en chips de computadora y muchos otros productos, es atractivo porque puede contener 10 veces máscarga eléctrica por gramo en comparación con el grafito. El problema es que el silicio se expande enormemente cuando encuentra litio, y es demasiado débil para soportar la presión de la fabricación de electrodos.
Para abordar estos problemas, un equipo liderado por los investigadores de PNNL Ji-Guang Jason Zhang y Xiaolin Li desarrollaron una nanoestructura única que limita la expansión del silicio mientras lo fortalece con carbono. Su trabajo, que se publicó recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría informar los nuevos diseños de material de electrodo para otros tipos de baterías y eventualmente ayudar a aumentar la capacidad de energía de las baterías de iones de litio en automóviles eléctricos, dispositivos electrónicos y otros equipos.
Sacar los contras del silicio
Una forma conductora y estable de carbono, el grafito es muy adecuado para empacar iones de litio en el ánodo de una batería mientras se carga. El silicio puede absorber más litio que el grafito, pero tiende a hincharse aproximadamente en un 300 por ciento en volumen, haciendo que el ánodo se hincheLos investigadores crearon una forma porosa de silicio al agregar pequeñas partículas de silicio en microesferas de aproximadamente 8 micrómetros de diámetro, aproximadamente del tamaño de un glóbulo rojo.
"Un material sólido como la piedra, por ejemplo, se romperá si se expande demasiado en volumen", dijo Zhang. "Lo que creamos es más parecido a una esponja, donde hay espacio adentro para absorber la expansión".
El electrodo con estructura de silicio poroso exhibe un cambio en el grosor de menos del 20 por ciento mientras que acomoda el doble de la carga de un ánodo de grafito típico, encontró el estudio. Sin embargo, a diferencia de las versiones anteriores de silicio poroso, las microesferas también exhibieron una resistencia mecánica extraordinaria,gracias a los nanotubos de carbono que hacen que las esferas se parezcan a bolas de hilo.
Microesferas súper fuertes
Los investigadores crearon la estructura en varios pasos, comenzando por recubrir los nanotubos de carbono con óxido de silicio. Luego, los nanotubos se colocaron en una emulsión de aceite y agua. Luego se calentaron hasta ebullición.
"Los nanotubos de carbono recubiertos se condensan en esferas cuando el agua se evapora", dijo Li. "Luego usamos aluminio y calor más alto para convertir el óxido de silicio en silicio, seguido de inmersión en agua y ácido para eliminar los subproductos".Del proceso emerge un polvo compuesto de pequeñas partículas de silicio en la superficie de los nanotubos de carbono.
La resistencia de las esferas de silicio poroso se probó usando la sonda de un microscopio de fuerza atómica. Los autores descubrieron que una de las bolas de hilo de tamaño nanométrico "puede ceder ligeramente y perder algo de porosidad bajo una fuerza de compresión muy alta, pero no se romperá".
Esto es un buen augurio para la comercialización, ya que los materiales anódicos deben ser capaces de manejar una alta compresión en los rodillos durante la fabricación. El siguiente paso, dijo Zhang, es desarrollar métodos más escalables y económicos para fabricar las microesferas de silicio para que algún día puedan fabricarsesu camino hacia la próxima generación de baterías de iones de litio de alto rendimiento.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Original escrito por Tom Rickey. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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