Un equipo de Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne, perteneciente al Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), han sustituido el grafito del ánodo de una celda de batería de litio por silicio y lo han estabilizado desarrollando una nueva composición para los materiales del electrolito. En este han añadido una segunda sal como un aditivo más, con lo que consiguen evitar la degradación del silicio durante los ciclos de carga y descarga, logrando aumentar en un 50% la densidad de energía obtenida con estas celdas respecto a las que emplean grafito.
Durante las últimas décadas, los científicos han estado investigando nuevos materiales para los electrodos y para el electrolito de las baterías de iones de litio con el objetivo de encontrar una nueva combinación que dé lugar a una generación de baterías de iones de litio que ofrezcan mayor capacidad energética, sean más duraderas, más seguras y más baratas.
Para los científicos que desarrollan baterías avanzadas de iones de litio, el ánodo de silicio ha sido el candidato con más papeletas para sustituir al ánodo de grafito actual, puesto que comercialmente su coste es muy bajo ya que es el segundo material más abundante en la corteza terrestre, y existen tecnologías de procesamiento muy avanzadas para él, dado su uso habitual en el hardware informático y en los equipos de telecomunicaciones. El silicio tiene una importante ventaja teórica sobre el grafito en cuanto a capacidad de almacenamiento de energía, pudiendo albergar casi diez veces más para un mismo volumen de batería.
Sin embargo, según explica Jack Vaughey, químico de la división de Ciencias e Ingeniería Química de Argonne en el estudio publicado en ACS Applied Materials & Interfaces, el ciclo de carga y descarga en una celda de batería de iones de litio con un ánodo basado en silicio se vuelve muy reactivo con el electrolito, y, en consecuencia, el proceso degrada la celda reduciendo significativamente su ciclo de vida.
Gráfico comparativo entre las baterías de silicio con una sal diseuelta y con dos sales.
Los electrolitos de las baterías de litio actuales contienen una mezcla compuesta por una sal de litio disuelta y al menos uno, y a menudo más de tres, aditivos orgánicos. Los científicos de Argonne desarrollaron una nueva estrategia para desarrollar esta mezcla del electrolito. Añadieron una pequeña cantidad de una segunda sal que contiene varios cationes metálicos con carga doble o triple (Mg 2+, Ca 2+, Zn 2+ o Al 3+). De las cuatro sales metálicas probadas las sales de electrolitos agregadas con cationes de magnesio (Mg 2+) o calcio (Ca 2+) demostraron funcionar mejor durante cientos de ciclos de carga-descarga. Las densidades de energía obtenidas con estas celdas superaron las de las celdas comparables con química de grafito hasta en un 50%.
Estas mezclas de electrolitos mejoradas, denominadas colectivamente "MESA" (electrolitos de sal mixta para ánodos de silicio), proporcionan a los ánodos de silicio una mayor estabilidad superficial y volumétrica, mejorando los ciclos de carga y descarga a largo plazo y, por lo tanto, la vida útil de la celda.
A nivel molecular los electrolitos que contienen la mezcla MESA funcionan de la siguiente manera. Durante la carga, las adiciones de cationes metálicos en la solución electrolítica migran hacia el ánodo a base de silicio junto con los iones de litio para formar fases de litio-metal-silicio, que son más estables que el litio-silicio. Esta nueva química reduce en gran medida las reacciones secundarias perjudiciales entre el ánodo de silicio y el electrolito evitando la degradación de la celda.
La investigación ha sido financiada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, Oficina de Tecnologías de Vehículos. Los científicos utilizaron dos instalaciones de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) ubicadas en Argonne: la Fuente Avanzada de Fotones (APS) y el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM).