Un equipo de investigadores japoneses ha mejorado el diseño de los ánodos de silicio que reemplazan a los de grafito en las baterías de iones de litio para mejorar su vida útil. Con la incorporación al ánodo de silicio de un aglutinante polimérico compuesto por un polímero específico se mejora significativamente su estabilidad estructural. Así se logra que las baterías fabricados con un ánodo de este material duren más y, por lo tanto, sean viables para satisfacer las necesidades energéticas de los vehículos eléctricos y otros dispositivos.
Las baterías de iones de litio son las más empleadas actualmente tanto en dispositivos portátiles como en aplicaciones de alta densidad energética, como los vehículos eléctricos. Sus propiedades son las que mejor integran los criterios mínimos necesarios para ser viables técnica y económicamente. Cumplen con los requisitos de seguridad, ofrecen la máxima densidad de energía que está limitada por el peso y el volumen final de la batería y su ciclo de vida es elevado. Por último ofrecen unos altos porcentajes de reutilización y reciclaje, todo ello, al mínimo coste posible.
Sin embargo, sus limitaciones se han hecho evidentes, especialmente con su uso en vehículos eléctricos, que requieren mayor durabilidad, densidad de energía y longevidad. Por eso, muchos equipos de investigación han estado buscando materiales alternativos para usar en estas baterías. Uno de ellos es el silicio que reemplazaría al grafito que forma la estructura del ánodo. El silicio es un material muy abundante y por lo tanto mucho más económico y tiene una capacidad de descarga teórica superior a la del grafito.
El silicio tiene el potencial de aumentar significativamente la densidad de energía de las baterías. Su capacidad es un orden de magnitud mayor que la del grafito que es el que se emplea actualmente para crear la estructura del ánodo. A nivel de celda, la densidad de energía podría casi duplicarse, brindando unos beneficios obvios en la autonomía de los vehículos eléctricos.
Sin embargo, los ánodos de silicio también generan algunos inconvenientes. El problema que surge cuando el silicio se emplea como material del ánodo es su alta degradación, lo que se traduce en una escasa vida útil para la batería. Específicamente, la carga y descarga repetida hace que las partículas de silicio se expandan y se rompan, lo que forma una interfaz sólido y gruesa (SEI) entre el electrolito y el ánodo. Este SEI limita el movimiento de los iones de litio entre los electrodos, lo que a su vez limita el rendimiento de la batería y la capacidad de carga y descarga con el tiempo.
Los cambios de volumen que sufre el ánodo durante los ciclos de carga y descarga conducen al consumo del electrolito y del litio y provocan tensiones mecánicas que finalmente se traducen en la pérdida de conductividad eléctrica e iónica. Incorporar porosidad, aditivos electrolíticos y redes conductoras y aglutinantes son solo algunas de las soluciones que se están desarrollando.
Los investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) han demostrado que al agregar un aglutinante compuesto de polímero específico al ánodo de silicio de una batería de iones de litio puede mejorar significativamente su estabilidad estructural. Esto hace que los dispositivos fabricados con un ánodo de este material duren más y, por lo tanto, sean viables para satisfacer las necesidades energéticas de los vehículos eléctricos.
Para mejorar el rendimiento de los ánodos de silicio, el equipo de JAIST, dirigido por el profesor Noriyoshi Matsumi, desarrolló una técnica para mejorar la estabilidad de las partículas de silicio en un ánodo utilizando un aglutinante compuesto de polímero. El resultado es la creación de una capa delgada de SEI, que evita que el ánodo y el electrolito reaccionen espontáneamente entre sí, pero no inhibe el flujo de iones de litio.
Técnicamente, los investigadores utilizaron poli(bisiminoacenaftenequinona) (P-BIAN) y un polímero poli(ácido acrílico) (PAA) que contiene carboxilato en el aglutinante compuesto, unidos entre sí mediante enlaces de hidrógeno. El diseño, que comprende polímeros conductores (CP) de tipo n y polímeros donantes de protones con redes unidas por hidrógeno, representa "un futuro prometedor en materiales de electrodos de alta capacidad", dijo Matsumi en el comunicado de prensa.
De hecho, la estructura de polímero compuesto mantiene unidas las partículas de silicio y evita que se rompan, mientras que los enlaces de hidrógeno permiten que la estructura se repare por sí misma. Esto significa que los polímeros pueden volver a unirse si se rompen o se degradan. El aglutinante también mejoró la conductividad del ánodo o al limitar la descomposición del electrolito.
Para probar el aglutinante, el equipo fabricó una media celda anódica compuesta de nanopartículas de silicio con grafito (Si/C), el aglutinante (P-BIAN/PAA) y un aditivo conductor de negro de acetileno (AB). A continuación, sometieron el ánodo a varios ciclos repetidos de carga y descarga.
Durante este proceso, el aglutinante estabilizó el ánodo de silicio y mantuvo una capacidad de descarga específica de 2.100 mAh/g durante más de 600 ciclos. Así lo explican los investigadores en el artículo publicado en la revista ACS Applied Energy Materials. A modo de comparación, la capacidad del ánodo de carbono y silicio desnudo, sin aglutinante, se redujo a 600 mAh/g en apenas 90 ciclos.
Después de probar el ánodo, el equipo procedió a desarmarlo y examinarlo para comprobar su estado. Para ello emplearon un espectroscópico y un microscópico, en busca de grietas que pudieran haberse creado debido a la ruptura del silicio, un efecto que suele ser muy común en esta tipología de ánodos. Tras 400 ciclos de carga y descarga, la estructura del ánodo se mantuvo prácticamente íntegra, mostrando tan solo unas pocas microfisuras. Esto demuestra que el aglutinante logró mejorar la integridad estructural del electrodo.
En general, estos resultados pueden definirse como prometedores y ofrecen un escenario posible para el empleo en el futuro de ánodos de silicio en las baterías de iones de litio. Con ellos se optimizaría el uso de las baterías de litio en los vehículos eléctricos e incluso en otro tipo de dispositivos que necesiten baterías de alto rendimiento.
