Una de las maneras de mejorar las actuales baterías de iones de litio es incorporar en su diseño silicio, con el que es posible multiplicar por diez su capacidad energética. Un equipo de investigación japonés ha encontrado una manera de lograr este propósito superando los habituales problemas de durabilidad y estabilidad estructural que implica el uso de este material en las baterías. Para ello han incluido este componente en el ánodo en forma de arcos a escala nanométrica que aumentan la resistencia estructural del soporte.
Las baterías de iones de litio que se emplean habitualmente en los coches eléctricos y en la tecnología de consumo están formadas por dos electrodos entre los que se encuentra una solución electrolítica que se encarga de transportar los iones de litio de uno a otro. Cuando se carga una batería, la corriente eléctrica mueve los iones de litio del cátodo (negativo) al ánodo (positivo) a través de del electrolito. El proceso se revierte a la hora de utilizar la batería: lo iones regresan al cátodo liberando la corriente eléctrica. En este proceso, el ánodo, cuya estructura está fabricada en grafito necesita seis átomos de carbono para almacenar un ion de litio, por lo que la densidad de energía de estas baterías es relativamente baja.
Usando silicio en lugar de grafito, se logra aumentar significativamente la densidad energética ya que cada átomo de silicio puede unirse con cuatro iones de litio. Por lo tanto, las baterías de litio con ánodo de silicio pueden almacenar diez veces más carga que las de ánodo de grafito en un mismo volumen. Sin embargo, los desarrollos que se han realizado empleando este material se han encontrado con un serio problema de estabilidad. El silicio no ofrece la misma durabilidad que el grafito, ya que se expande y se contrae con cada ciclo de carga y descarga la batería. A medida que los iones de litio se mueven hacia el ánodo, el cambio de volumen es de alrededor del 400 por ciento, lo que hace que el electrodo se fracture y se rompa de manera que esta escasa resistencia estructural limita su vida útil.
A medida que se depositan los átomos de silicio las columnas aumentan su altura, hasta que crecen lo suficiente como para tocarse entre sí y formar una estructura de arco a escala nanométrica.
La doctora Marta Haro, al frente de un equipo de investigación de la OIST (Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ha explorado la viabilidad de una nueva tecnología que involucra una estructura parecida a un pastel formado por capas de silicio colocadas entre nanopartículas metálicas. El equipo ha experimentado con capas de silicio de diferentes espesores hasta encontrar el punto óptimo en sus propiedades. Al aumentar el espesor de las capas de silicio la rigidez inicial se va reduciendo paulatinamente, explica el autor del estudio Theo Bouloumisen la revista Communications Materials, donde ha sido publicada la investigación: "teníamos algunas ideas, pero en ese momento, no sabíamos la razón que fundamentaba esta variación en sus propiedades".
La investigación posterior reveló que cuando los átomos de silicio se depositan sobre las nanopartículas de metal, forman pequeñas columnas en forma de conos invertidos que son más gruesas hacia la parte superior. Esto significa que a medida que se depositan más átomos de silicio y las columnas crecen en altura, hasta tocarse entre sí, formando una estructura en forma de arco a escala nanométrica.
"La estructura abovedada funciona, a nanoescala, conceptualmente igual que un arco en ingeniería civil", explica el Dr. Panagiotis Grammatikopoulos, otro de los autores del estudio. Cuando el crecimiento de estas columnas se detiene no son capaces de agregar estabilidad al ánodo, pero si crecen demasiado crean una estructura esponjosa llena de agujeros que es demasiado débil. Las pruebas muestran que la batería resultante ofrece una mayor capacidad de carga y es capaz de soportar más ciclos de carga y descarga en el punto óptimo de su crecimiento en el que los arcos de silicio brindan al ánodo la resistencia estructural que necesitan.