Un equipo de investigadores del Departamento de Energía de Estados Unidos (DoE) ha podido acercarse más al proceso que lleva al hinchamiento del ánodo en las baterías de silicio. A partir de este estudio será posible conocer las causas que están limitando el uso de este material, lo que permitirá facilitar una solución. Gracias a este hallazgo, el mayor hándicap de las baterías de silicio podría resolverse mediante recubrimientos que permitirán la creación de ánodos viables.
El silicio ya se usa de manera habitual en microprocesadores y sistemas de energía fotovoltaica, ya que es un material que puede contener hasta 10 veces más energía cuando se emplea en un ánodo que el grafito al que sustituye. Por eso, resolver el proceso de hinchamiento podría ayudar a los científicos a lograr hacerlas viables para los vehículos eléctricos.
Un equipo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) perteneciente a la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), junto a otros colaboradores del Laboratorio Nacional de Los Alamos, Thermo Fisher Scientific y Penn State University ha observado el proceso que hace que la superficie del ánodo se descascarille y se agriete. Esta degradación hace que la batería pierda su capacidad para mantener la carga y, en última instancia, se produzca un fallo catastrófico.
El hinhcamiento del ánodo en las baterías de silicio hace que se produzca un fallo de todo el conjunto a los 36 ciclos de recarga.
El proceso de hinchamiento
El hinchamiento de un ánodo de silicio en una batería se produce porque los iones de litio penetran en el ánodo de tal manera que desplazan a los átomos de silicio, creando una "compresión del litio" y provocando que se hinche hasta tres o cuatro veces respecto a su tamaño original. Durante el proceso de carga, cuando los iones de litio salen del ánodo, quedan espacios vacíos conocidos como vacantes, en los que entran algunos átomos de silicio. Sin embargo, los iones de litio también continúan entrando, lo que finalmente conduce al fallo de la batería.
Si bien los científicos han sido conocedores de este proceso durante años, nunca antes se había presenciado por qué produce fallos en la batería. El equipo de PNNL logró descubrir la razón por la que se produce este hinchamiento y cuándo ocurre.
Para sus experimentos, el equipo usó un haz de electrones para fabricar las imágenes parciales en ultra alta resolución del hinchamiento del ánodo y luego reconstruyó las imágenes finales en tres dimensiones. Un proceso similar al que emplean los equipos médicos cuando crean una imagen tridimensional de una extremidad o un órgano de un paciente.
Según Chongmin Wang, uno de los científicos de PNNL que ha trabajado en la investigación, "mucha gente ha imaginado lo que podría estar sucediendo, pero nadie lo había mostrado antes". Con esta información, los investigadores podrán tratar este problema con una perspectiva mucho más exacta, de manera que se abre la puerta al empleo de silicio en lugar de grafito en los ánodos de las baterías de litio.
Proceso de fabricación de celdas de baterías con ánodo de silicio de Sila.
La solución al problema
El proceso de hinchamiento comienza inmediatamente después del primer ciclo de carga y descarga de la batería. La capacidad de la batería para mantener su carga disminuye significativamente después de 36 ciclos. Finalmente, después de 100 ciclos, el ánodo se destruye completamente.
Al observar el proceso a través de varios experimentos, el equipo observó cómo las vacantes que dejan los iones de litio en el ánodo de silicio evolucionan a brechas cada vez más grandes. Esta degradación hace que el electrolito líquido fluya hacia esos espacios, infiltrándose y provocando que el silicio se quede retenido en zonas en las que no debería estar. Esta situación crea zonas muertas que destruyen la capacidad del silicio para almacenar litio y arruinan el ánodo.
Conociendo dónde radica el problema, los científicos trabajan ahora en la forma de proteger el silicio del electrolito para crear ánodos viables. "Este trabajo ofrece una hoja de ruta clara para desarrollar el silicio como ánodo para una batería de alta capacidad", dijo Wang. Una manera de hacerlo es a través de recubrimientos, que ya están siendo desarrollados por varios grupos, incluidos los propios científicos del PNNL. Los revestimientos actuarían como una puerta de seguridad que permite que los iones de litio entren y salgan del ánodo a la vez que impide que otros componentes del electrolito hagan lo mismo.
El artículo en el que se describen los experimentos y las conclusiones a las que han llegado los científicos ha sido publicado por la revista Nature Nanotechnology.
