Agregue silicio para aumentar la capacidad de la batería de iones de litio hasta en un 70%

Hubo un tiempo en el que se aconsejó a los inventores que construyeran una mejor trampa para ratones. Hoy en día, lo harían bastante bien para construir una mejor batería de iones de litio. Esto es lo que alimenta nuestros teléfonos, computadoras portátiles, herramientas eléctricas portátiles, un número creciente de autos, incluso hogares. Algunos lugares están recurriendo a baterías gigantes de iones de litio para almacenar la energía de los paneles solares, de modo que se puedan utilizar en la oscuridad. Si bien las células de iones de litio han mejorado gradualmente a lo largo de los años, parecen estar preparadas para un gran impulso a través del mayor uso de un elemento que no es desconocido para la industria electrónica: el silicio.

La razón radica en alguna electroquímica fundamental. Las células de iones de litio funcionan al enviar iones de litio desde el electrodo positivo (en una batería, se llama el cátodo) al electrodo negativo (el ánodo) durante la carga. Durante la descarga, los iones de litio se mueven en dirección opuesta, de ánodo a cátodo. Por lo tanto, cargar una batería de este tipo equivale a almacenar litio en el ánodo. Si su batería pudiera almacenar más litio, almacenaría más energía.

En la batería de iones de litio utilizada en teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y en la mayoría de los automóviles eléctricos, el ánodo está hecho de grafito, una forma de carbono. El litio se almacena en el electrodo en forma de LiC6, en el que un átomo de litio está rodeado por seis átomos de carbono.

Los desarrolladores de baterías han intentado durante años descubrir cómo usar silicio en lugar de carbono en los ánodos, porque los iones de litio se combinan con el silicio para formar Li 15 Si 4. La relación de 15 a 4 significa que una menor cantidad de material de ánodo puede almacenar mucho más litio. Los ánodos de silicio podrían proporcionar capacidades mucho más grandes.

El problema es que el silicio se expande casi un 300 por ciento en volumen cuando reacciona con litio durante la carga. Luego se encoge en la misma cantidad durante la descarga. El ciclo repetido de carga y descarga hace que el ánodo comience a desintegrarse. Eso a su vez crea más área de superficie en el ánodo, que luego reacciona químicamente con el electrolito, dañando la batería. Así que las baterías con ánodos de silicio tienden a no aguantar mucho tiempo.

Afortunadamente, el problema de expansión del silicio no es insuperable. Incluso ahora, algunas baterías de iones de litio tienen ánodos que incluyen partículas que contienen silicio combinadas con dióxido de silicio (material de arena) y recubiertas con carbono. Elon Musk reveló en 2016 que las células de iones de litio de Tesla están construidas de esa manera. Pero hasta la fecha, la cantidad de silicio en los ánodos ha sido mínima.

Para empezar, una empresa de California llamada Sila Nanotechnologies planea comercializar un material de ánodo rico en silicio. El cofundador de la compañía y profesor de Georgia Tech , Gleb Yushin, dice que Sila ha desarrollado una "solución de inserción" para los fabricantes de baterías existentes, que está programada para entrar en producción comercial.

Células prototipo, construidas con un material de ánodo rico en silicio.

Dependiendo de la aplicación, el uso de este material de ánodo aumentará la capacidad de la batería inicialmente en un 20 por ciento y, finalmente, en un 40 por ciento o más. Además, explica Yushin, permite que el ánodo se reduzca en grosor hasta en un 67 por ciento, lo que a su vez puede permitir que la batería se cargue hasta nueve veces más rápido. Y también aporta beneficios de seguridad, afirma, porque suprime la formación de dendritas metálicas similares a hilos , lo que puede provocar que las células se acorten internamente y estallen en llamas.

Yushin dice que el nuevo material de ánodo de su compañía está compuesto de partículas que son similares en tamaño a las de grafito que se usan en los ánodos ahora. Pero contienen silicio dentro de un andamio poroso, que proporciona espacio para que el silicio se expanda y se contraiga sin entrar en contacto con el electrolito. Esto permite que las baterías hechas con este material de ánodo rico en silicio funcionen bien durante 400 a 1,000 ciclos completos de carga y descarga, lo cual es más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones. "Incluso para los autos eléctricos, a menudo no se necesitan más de 1,000 ciclos", dice Yushin.

Eso ayuda a explicar el interés de BMW , que está trabajando con Sila para explorar si las baterías de iones de litio fabricadas con el nuevo material de ánodo pueden usarse en sus autos eléctricos. Sin embargo, Yushin dice que "los productos iniciales serán portátiles", para los cuales el costo de la batería no es un factor tan crítico y la cantidad de material de ánodo requerido es mucho más modesta, lo que significa que su compañía puede satisfacer la demanda con mayor facilidad.

Sila probablemente no será la única compañía que presente una tecnología de batería de silicona este año. Se espera que otra empresa de California, Enovix, introduzca un ánodo que esté hecho completamente de silicona y óxidos de silicona.

Ashok Lahiri, cofundador y director de tecnología de Enovix, junto con dos colegas, describieron la tecnología de la batería de la compañía en el 2017. En ese momento, Enovix planeaba tomar prestadas técnicas de fabricación de la industria de semiconductores para construir baterías a partir de obleas finas de silicona de grado solar. Pero la compañía reconsideró esa estrategia después de lidiar con la forma de aplicarla a baterías de iones de litio más grandes para vehículos. "Nos dimos cuenta de que los sustratos de grado solar no podían escalarse", dice Lahiri.

Así que Enovix renovó su enfoque y ahora está utilizando una lámina metálica en lugar de una oblea de silicio como el sustrato para su batería. La geometría general de la batería, sin embargo, sigue siendo la misma. Simplemente se construye de manera diferente: al apilar componentes, dice Lahiri, quien explica que mantener la pila de ánodos a alta presión inhibe la expansión durante la carga y permite que el ánodo esté hecho completamente de silicona y óxidos de silicona.

"Creemos que nuestra batería será de 30 a 70 por ciento mejor, dependiendo de la aplicación", dice Lahiri.

18 de febrero del 2019

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Ingenieros Top Escrito por nuestros expertos y publicado por la dirección editorial de Ingenieros Top.