El rendimiento y la vida útil de las baterías de iones de litio se ven afectados por los cambios que ocurren en los materiales de los electrodos durante los procesos de carga y descarga. Sin embargo, es difícil monitorizar tales cambios durante esta operación porque los principales materiales de la batería, los electrodos y los electrolitos, se contaminan instantáneamente cuando se exponen al aire. En un artículo publicado en la revista ACS Energy Letters, el equipo de investigación del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST) ha logrado observar cómo se degrada el material en el interior de las baterías de iones de litio.
En una batería, los iones de litio se mueven hacia el ánodo durante la carga y hacia el cátodo durante la descarga. El equipo de KIST logró observar en tiempo real el proceso que ocurre en un ánodo compuesto de silicio y grafito, una de las opciones que actualmente más interés suscita para su comercialización por la alta capacidad que se puede lograr con esta combinación. En teoría, la capacidad energética del silicio es 10 veces mayor que la del grafito, que es el material que se emplea de manera convencional en el ánodo. Sin embargo, el volumen de nanopolvos de silicio se cuadruplica durante el proceso de carga, lo que dificulta garantizar el rendimiento y la seguridad.
Se ha planteado la hipótesis de que estos nanoporos formados durante la mezcla de los componentes de los compuestos de silicio y grafito pueden adaptarse a la expansión de volumen del silicio durante la carga de la batería, cambiando así su volumen. Sin embargo, el papel de estos nanoporos nunca ha sido confirmado por observación directa mediante curvas de voltaje electroquímico.
Utilizando una plataforma de análisis de baterías de diseño propio, los investigadores coreanos observaron directamente la migración hacia el ánodo compuesto de silicio y grafito de los iones de litio durante la carga e identificaron el papel práctico de los nanoporos. Se encontró que los iones de litio migran secuencialmente hacia el carbono, los nanoporos y el silicio en el compuesto de silicio y grafito.
Además, observaron que los poros de tamaño nanométrico tienden a almacenar iones de litio (litiación de llenado previo) antes que las partículas de litio-silicio (litiación de S), mientras que, tal y como se creía anteriormente, los poros de tamaño micro acomodan la expansión de volumen del silicio. Esta investigación permite al equipo de investigación sugerir materiales de ánodo más convenientes para las baterías de litio de alta capacidad.
"La plataforma de análisis de baterías KIST abre nuevos horizontes en la investigación de materiales al permitir la observación de cambios estructurales en las baterías eléctricas", afirma Jae-Pyoung Ahn, jefe de la División de Recursos de Investigación de KIST. El equipo planea continuar con la investigación "para impulsar innovaciones en el diseño de materiales de baterías, mediante la observación de cambios estructurales en los materiales de las baterías que no se ven afectados por la exposición atmosférica", añade Ahn.
