Las baterías de ánodo de silicio tienen el potencial de revolucionar las capacidades de almacenamiento de energía, lo cual es clave para cumplir los objetivos climáticos y desbloquear todo el potencial de los vehículos eléctricos.

Sin embargo, el agotamiento irreversible de los iones de litio en los ánodos de silicio impone una restricción importante en el desarrollo de baterías de iones de litio de próxima generación.

Los científicos de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de la Universidad de Rice han desarrollado un método fácilmente escalable para optimizar la litiación previa, un proceso que ayuda a mitigar la pérdida de litio y mejora los ciclos de vida de la batería al recubrir los ánodos de silicio con partículas de metal de litio estabilizadas (SLMP).

El laboratorio de Rice de la ingeniera química y biomolecular Sibani Lisa Biswal descubrió que rociar los ánodos con una mezcla de partículas y un surfactante mejora la vida útil de la batería entre un 22 % y un 44 %. Las celdas de batería con una mayor cantidad de recubrimiento lograron inicialmente una mayor estabilidad y ciclo de vida. Sin embargo, había un inconveniente : cuando se ciclaba a plena capacidad, una mayor cantidad de recubrimiento de partículas provocaba que se atrapara más litio, lo que provocaba que la batería se desvaneciera más rápidamente en los ciclos posteriores.

El estudio se publica en ACS Applied Energy Materials.

Reemplazar el grafito con silicio en las baterías de iones de litio mejoraría significativamente su densidad de energía. la cantidad de energía almacenada en relación con el peso y el tamaño? porque el grafito, que está hecho de carbono, puede contener menos iones de litio que el silicio. Se necesitan seis átomos de carbono para cada ion de litio, mientras que un solo átomo de silicio puede unirse con hasta cuatro iones de litio.

« El silicio es uno de esos materiales que tiene la capacidad de mejorar realmente la densidad de energía del lado del ánodo de las baterías de iones de litio », dijo Biswal. « Es por eso que actualmente existe este impulso en la ciencia de las baterías para reemplazar los ánodos de grafito con los de silicio ».

Sin embargo, el silicio tiene otras propiedades que presentan desafíos.

« Uno de los principales problemas con el silicio es que forma continuamente lo que llamamos una interfase de electrolito sólido o capa SEI que en realidad consume litio », dijo Biswal.

La capa se forma cuando el electrolito en una celda de la batería reacciona con los electrones y los iones de litio, lo que da como resultado una capa de sales a escala nanométrica depositada en el ánodo. Una vez formada, la capa aísla el electrolito del ánodo, evitando que continúe la reacción. Sin embargo, el SEI puede romperse a lo largo de los ciclos posteriores de carga y descarga y, a medida que se reforma, agota irreversiblemente aún más la reserva de litio de la batería.

« El volumen de un ánodo de silicio variará a medida que se cicla la batería, lo que puede romper el SEI o hacerlo inestable », dijo Quan Nguyen, alumno de doctorado en ingeniería química y biomolecular y autor principal del estudio. « Queremos que esta capa permanezca estable durante los ciclos posteriores de carga y descarga de la batería ».

El método de prelitiación desarrollado por Biswal y su equipo mejora la estabilidad de la capa SEI, lo que significa que se agotan menos iones de litio cuando se forma.

« La prelitiación es una estrategia diseñada para compensar la pérdida de litio que normalmente ocurre con el silicio », dijo Biswal. « Puede pensar en esto en términos de imprimar una superficie, como cuando está pintando una pared y primero necesita aplicar una capa base para asegurarse de que la pintura se adhiera. La litiación previa nos permite ‘preparar’ los ánodos para que las baterías puedan tener una ciclo de vida mucho más estable y más largo ».

Si bien estas partículas y la litiación previa no son nuevas, el laboratorio de Biswal pudo mejorar el proceso de una manera que se incorpora fácilmente a los procesos de fabricación de baterías existentes.

« Un aspecto del proceso que es definitivamente nuevo y que desarrolló Quan fue el uso de un surfactante para ayudar a dispersar las partículas », dijo Biswal. « Esto no se ha informado antes, y es lo que le permite tener una dispersión uniforme. Entonces, en lugar de que se acumulen o se acumulen en diferentes bolsillos dentro de la batería, pueden distribuirse uniformemente ».

Nguyen explicó que mezclar las partículas con un solvente sin el surfactante no dará como resultado un recubrimiento uniforme. Además, el recubrimiento por pulverización demostró ser mejor para lograr una distribución uniforme que otros métodos de aplicación sobre los ánodos.

« El método de recubrimiento por aspersión es compatible con la fabricación a gran escala », dijo Nguyen.

El control de la capacidad de ciclo de la célula es crucial para el proceso.

« Si no controla la capacidad a la que cicla la celda, una mayor cantidad de partículas activará este mecanismo de captura de litio que descubrimos y describimos en el documento », dijo Nguyen. « Pero si haces un ciclo de la celda con una distribución uniforme del recubrimiento, entonces no ocurrirá la captura de litio.

« Si encontramos formas de evitar la captura de litio optimizando las estrategias de ciclo y la cantidad de SLMP, eso nos permitiría explotar mejor la mayor densidad de energía de los ánodos basados ​​en silicio ».

Biswal es profesor William M. McCardell de Rice en Ingeniería Química, profesor de ciencia de los materiales y nanoingeniería, y decano asociado de desarrollo de la facultad.

La investigación fue apoyada por el Programa de Investigación Universitaria de Ford Motor Co. la Fundación Nacional de Ciencias (1842494, CBET-1626418) y la Autoridad de Equipos Compartidos en Rice.