La zona muerta que puede dar vida a baterías de silicio de alta densidad

Uno de los materiales con los que los científicos trabajan más para crear las baterías de litio de la próxima generación es el silicio. Le ven potencial para contener mucha más energía que el grafito al que reemplazaría. No se hace porque el silicio no resiste bien las tensiones del ciclo de la batería. Pero ya cuentan con pistas de por qué ocurre y cómo podría ser solucionado.

Resolver este problema es vital. Integrar silicio en baterías de iones de litio para reemplazar el grafito como componente del ánodo, podría llevar a almacenar hasta 10 veces más energía. Pero, a medida que la batería se carga y descarga, el silicio se hincha y agrieta el el ánodo... con lo que es imposible que la batería mantenga la carga.

En los últimos años ha habido diferentes enfoques para solucionar este problema y hacerlo más estable: emplear silicio con nanoestructuras especiales, combinarlo con electrolitos de estado sólido, emplear materiales compuestos, e incluso «enjaular el material en grafeno». Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han presenciado un detalle sin precedentes.

Cuando se «cicla» una batería los iones de litio se mueven hacia adelante y hacia atrás entre el ánodo y el cátodo a través de un electrolito líquido. Cuando los iones entran en un ánodo de silicio, empujan los átomos de silicio hacia un lado. Por eso el ánodo se hincha (y no poco, tres o cuatro meses su  tamaño). Luego, cuando los iones de litio se retiran, crean vacíos que hacen que la batería falle rápidamente.

Con un microscopio electrónico modificado, los investigadores consiguieron registrar la actividad molecular dentro de una batería de litio con un ánodo de silicio mientras se cargaba y descargaba. Y vieron que, a medida que los iones de litio que partían creaban estos vacíos, evolucionaban hacia brechas cada vez más grandes, donde se filtraba el electrolito líquido.

Estas «zonas muertas» dejan al ánodo incapaz de funcionar. El proceso comienza ya en el primer ciclo de la batería y en 36 la capacidad se reduce de manera muy significativa. En 100 ciclos el ánodo está destruido.

¿Han solucionado el problema? Pues no. Pero ahora ya saben que para resolverlo han de aislar el silicio del electrolito líquido. Y ven dos vías para conseguirlo. Por un lado, ajustando la composición del electrolito y por otro aplicando un revestimiento inteligente al silicio para que no entre en contacto con con el electrolito líquido.

Ahora los científicos investigan sobre ello de manera «intensiva», según sus palabras. ¿Cuánto tardarán en dar con la solución? Pues es imposible predecirlo.

Fuente: Pacific Northwest National Laboratory