Un gel ayuda al silicio a almacenar más energía
Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), en Corea del Sur, desarrollaron un sistema de baterías de silicio y gel que, según la universidad, ofrece una densidad energética aproximadamente un 40% mayor y mantiene un rendimiento estable. Anunciada el 2 de febrero de 2024, la investigación utiliza partículas de silicio de 5 micrómetros y un haz de electrones para ayudar a la batería a soportar la expansión y contracción repetidas del material.
Contenido
- Un gel ayuda al silicio a almacenar más energía
- Por qué es difícil utilizar el silicio
- Cómo funcionan el gel y el haz de electrones
- Qué significa el aumento del 40% para la autonomía
- Otro estudio aborda la capa protectora del silicio
- Qué midieron las pruebas del segundo equipo
- De la publicación a la producción
- Puntos clave
El trabajo busca acercar los vehículos eléctricos a la posibilidad de recorrer 1.000 kilómetros con una sola carga. POSTECH presenta esa distancia como un objetivo de investigación. Su anuncio describe los resultados de un sistema de baterías, pero no especifica una demostración en un vehículo, una fecha de lanzamiento comercial ni un precio.
El profesor Soojin Park, el doctorando Minjun Je y la doctora Hye Bin Son, del Departamento de Química de POSTECH, desarrollaron este método. Su estudio se publicó en línea en Advanced Science el 17 de enero de 2024, antes de que la universidad difundiera su anuncio sobre la investigación.
La idea central es facilitar el uso de un material con gran capacidad de almacenamiento. El silicio puede almacenar mucho más litio que el grafito que se usa habitualmente en los ánodos de las baterías, pero su tamaño cambia drásticamente durante la carga. El equipo de POSTECH unió las partículas de silicio a un gel elástico mediante enlaces químicos, lo que ayuda a la estructura a soportar ese movimiento.
Para los conductores, la ventaja es clara: almacenar más energía en una batería podría permitir recorrer distancias más largas entre paradas para recargar. Para los fabricantes de baterías, la investigación aborda otro desafío: cómo utilizar partículas de silicio relativamente económicas sin sacrificar un funcionamiento estable.
Por qué es difícil utilizar el silicio
La ventaja del silicio para almacenar energía conlleva un problema mecánico. POSTECH señala que el material se expande hasta alcanzar más de tres veces su tamaño original durante la carga y luego se contrae cuando la batería se descarga. La repetición de ese movimiento somete a tensión el electrodo y los materiales que lo rodean.
El ánodo es uno de los dos electrodos de una batería. Durante la carga, los iones de litio atraviesan el electrolito y llegan al ánodo, donde se almacena la energía. Durante el uso, el proceso se invierte. El electrolito debe permitir que esos iones se desplacen, mientras la estructura del electrodo sigue funcionando a lo largo de repetidos ciclos de carga.
Los investigadores han recurrido a menudo a partículas de silicio muy pequeñas para ayudar a controlar la tensión. POSTECH describe la producción de silicio a escala nanométrica como compleja y costosa. Las partículas más grandes, a escala micrométrica, ofrecen ventajas en cuanto al costo de producción y la densidad energética, pero es más difícil adaptarse a su expansión.
Las partículas del experimento de POSTECH medían 5 micrómetros, es decir, cinco millonésimas de metro. La universidad afirma que eran aproximadamente 100 veces más grandes que las utilizadas en los ánodos tradicionales de silicio a escala nanométrica. Esa es la comparación concreta entre partículas que figura en el anuncio oficial, en lugar del factor de 1.000 mencionado en la descripción inicial de la investigación. Un micrómetro mide 1.000 veces más que un nanómetro.
Cómo funcionan el gel y el haz de electrones
El equipo de POSTECH combinó las partículas de silicio más grandes con un electrolito de polímero en gel. Un polímero es un material formado por largas cadenas moleculares. En esta batería, su estructura elástica ayuda al electrolito a adaptarse a los cambios de tamaño del silicio y permite el movimiento de los iones de litio.
Luego, los investigadores utilizaron un haz de electrones para crear enlaces covalentes entre las partículas de silicio y el gel. Los enlaces covalentes son conexiones químicas en las que los átomos comparten electrones. En este caso, esas conexiones ayudan a distribuir la tensión interna que se produce cuando el silicio se expande y se contrae.
El método trata el silicio y el electrolito que lo rodea como una estructura integrada. En lugar de depender únicamente de partículas más pequeñas, los investigadores modificaron la forma en que estas se conectan con el material que las rodea. POSTECH atribuye la estabilidad estructural resultante a esas conexiones y a la capacidad del gel para adaptarse al movimiento.
Park, profesor de química de POSTECH y director del equipo, describió el resultado como un avance hacia el aprovechamiento práctico de la capacidad de almacenamiento del silicio:
Utilizamos un ánodo de microsilicio y, aun así, logramos una batería estable. Esta investigación nos acerca a un sistema real de baterías de iones de litio con alta densidad energética.
La universidad también señala que el sistema de gel tenía una conductividad iónica similar a la de las baterías convencionales que utilizan electrolitos líquidos. La conductividad iónica describe la facilidad con que las partículas cargadas se desplazan por un material. Mantener un desplazamiento eficaz es importante porque el electrolito debe permitir el flujo de iones durante la carga y el suministro de energía de la batería.
Qué significa el aumento del 40% para la autonomía
POSTECH informa de una mejora aproximada del 40% en la densidad energética de su sistema de silicio y electrolito de gel. La densidad energética indica cuánta energía almacena una batería en relación con su masa o volumen. Aumentarla es una manera de transportar más energía sin que la batería sea proporcionalmente más pesada o grande.
El anuncio de la universidad toma como referencia una autonomía de alrededor de 700 kilómetros para los vehículos eléctricos y señala que los investigadores buscan alcanzar los 1.000 kilómetros. Pasar de 700 a 1.000 kilómetros supondría sumar 300 kilómetros, un aumento de aproximadamente el 43%.
Esas cifras explican el atractivo de una mejora del 40% en la densidad energética. Como ejemplo sencillo, aumentar 700 kilómetros en un 40% da como resultado 980 kilómetros, una cifra cercana al objetivo declarado. Ese cálculo supone que el vehículo consume energía al mismo ritmo y que la energía utilizable de la batería aumenta en la misma proporción.
La autonomía real de un vehículo también depende de su peso, eficiencia, velocidad, temperatura y diseño del paquete de baterías. El desafío práctico consiste en trasladar la ventaja de almacenamiento del material a una batería completa y luego a un vehículo. La combinación de funcionamiento estable, partículas de silicio más grandes y conductividad iónica comparable que presentó POSTECH aborda conjuntamente varios aspectos de ese desafío.
Otro estudio aborda la capa protectora del silicio
Otro equipo de investigación, entre cuyos autores figuran Ai-Min Li y Chunsheng Wang, publicó un estudio en Nature Communications el 8 de febrero de 2024. También utilizó partículas de silicio de 5 micrómetros, pero buscó una solución distinta: un electrolito líquido diseñado para formar una capa protectora superficial capaz de soportar el movimiento del silicio.
El artículo explica que una de las principales causas de la pérdida de capacidad es el daño a la interfase de electrolito sólido, conocida habitualmente por la sigla SEI. Se trata de una fina capa protectora que se forma en el ánodo. Cuando se agrieta, el electrolito líquido puede penetrar en las partículas de silicio dañadas y reaccionar de nuevo, lo que crea nuevas capas y altera el contacto eléctrico.
Li y sus colegas diseñaron un electrolito que contiene fluoroetileno carbonato, sulfolano y TTE, un éter fluorado. Su formulación permite que las celdas funcionen a 4,3 voltios y crea una capa protectora rica en fluoruro de litio y óxido de litio.
Los autores describen esta capa como «silicófoba», es decir, que se adhiere débilmente al material de litio y silicio que se encuentra debajo. Esa débil adhesión permite que el silicio se expanda y se contraiga dentro de la cubierta protectora y reduce la tensión sobre la propia cubierta. En cambio, el método de POSTECH utiliza fuertes conexiones químicas entre el silicio y un gel elástico para distribuir la tensión.
Por tanto, los dos estudios abordan el mismo problema de movimiento en distintos límites. Uno conecta el silicio con una estructura flexible que lo rodea; el otro permite que el silicio se mueva dentro de una capa protectora a la que se adhiere con menos fuerza.
Qué midieron las pruebas del segundo equipo
El estudio de Nature Communications informa que sus ánodos de silicio alcanzaron una capacidad de 2.175 miliamperios hora por gramo durante más de 250 ciclos, con una eficiencia de Coulomb del 99,8%. La capacidad por gramo indica cuánta carga eléctrica puede almacenar una masa determinada de material. Un ciclo consiste en una carga y una descarga.
La eficiencia de Coulomb compara la carga extraída durante la descarga con la introducida durante la carga. Con un 99,8%, la diferencia es de alrededor del 0,2% por ciclo medido. Es importante mantener pequeña esa diferencia porque las reacciones no deseadas repetidas consumen carga y materiales con el tiempo.
El equipo también probó una celda tipo bolsa con una capacidad nominal de 100 miliamperios hora. Esta proporcionó 172 miliamperios hora por gramo de material catódico durante 120 ciclos, con una eficiencia de Coulomb superior al 99,9%. Una celda tipo bolsa contiene los componentes de la batería en una envoltura flexible.
Esas mediciones describen la capacidad del electrodo, la eficiencia y el rendimiento en ciclos del diseño con electrolito líquido. El resultado destacado de POSTECH se refiere a una mejora aproximada del 40% en la densidad energética de su sistema de gel. Cada estudio aporta un conjunto distinto de mediciones para ayudar a que las partículas de silicio más grandes sean útiles en las baterías de iones de litio.
De la publicación a la producción
POSTECH describe su proceso de fabricación como sencillo y listo para su aplicación. El uso de partículas de silicio más grandes aborda el costo y la complejidad asociados a la producción de partículas a escala nanométrica, mientras que el haz de electrones crea los enlaces necesarios para formar la estructura integrada.
El anuncio de la universidad señala que el trabajo recibió apoyo del Programa de Investigadores Independientes de la Fundación Nacional de Investigación de Corea. La secuencia de publicaciones sitúa estos resultados junto a otra iniciativa para resolver el problema de la expansión del silicio durante el mismo período:
- 17 de enero de 2024: El estudio del equipo de POSTECH se publicó en línea en Advanced Science.
- 2 de febrero de 2024: POSTECH anunció sus resultados sobre el silicio y el electrolito de gel, así como el objetivo de alcanzar una autonomía de 1.000 kilómetros.
- 8 de febrero de 2024: Nature Communications publicó el estudio independiente sobre un electrolito líquido para partículas de silicio de 5 micrómetros.
La ventaja práctica que comparten ambos proyectos es la misma: el silicio es abundante y ofrece una gran capacidad de almacenamiento, mientras que las partículas más grandes pueden reducir las dificultades de producción. Lograr que los materiales que lo rodean soporten el movimiento del silicio es fundamental para convertir esas ventajas en baterías que mantengan una capacidad útil tras un uso repetido.
Puntos clave
- POSTECH informa de una densidad energética aproximadamente un 40% mayor en un sistema integrado de silicio y electrolito de gel.
- Los investigadores utilizaron un haz de electrones para formar enlaces químicos que ayudan a distribuir la tensión cuando el silicio se expande y se contrae.
- El sistema estable utilizó partículas de 5 micrómetros, que POSTECH describe como 100 veces más grandes que las nanopartículas de silicio tradicionales.
- Una autonomía de 1.000 kilómetros para un vehículo es el objetivo de la investigación; el anuncio se centra en el desarrollo de baterías.
- Un estudio independiente de Nature Communications utilizó un electrolito líquido y una capa protectora superficial, e informó del rendimiento de ánodos de silicio durante más de 250 ciclos.
