El Departamento de Energía de EE. UU. Duplica la capacidad de la batería de iones de litio con silicio esponjoso

PNNL

El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía ha creado una nueva variedad de batería de iones de litio que puede almacenar al menos el doble de la cantidad de energía que se encuentra en la batería de su teléfono inteligente o computadora portátil convencional. A diferencia de otros avances de la batería que no verán la luz en los próximos años (si es que lo harán), este avance en el almacenamiento de energía podría llegar a los dispositivos comerciales bastante pronto. Como es bastante normal hoy en día, la nanotecnología es el ingrediente mágico; esponjas de silicio nanoestructuradas para ser exactos.

Casi todas las baterías de iones de litio (LIB) que existen en la actualidad constan de un electrodo de grafito, un electrolito (generalmente una sal de litio) y un electrodo de óxido metálico (generalmente un óxido que contiene litio). Cuando carga un LIB, el electrodo de grafito (ánodo) absorbe iones de litio; cuando se descarga un LIB, una reacción química hace que los iones fluyan fuera del grafito al eletrodo de óxido metálico (cátodo), creando electricidad. (Leer: ¿Cómo funciona una batería de iones de litio y por qué son tan populares?) Una de las limitaciones clave de la capacidad de una batería es la cantidad de iones que puede meter en el ánodo y, en el caso del grafito, la respuesta es 'no muchos'.

Introduzca silicio. Si bien se necesitan seis átomos de carbono (grafito) para unirse a un solo ión de litio, un solo átomo de silicio puede unirse a cuatro iones de litio. Las matemáticas exactas son un poco complejas (los átomos de silicio son más grandes que los átomos de carbono), pero en última instancia significa que los ánodos de silicio pueden almacenar teóricamente más de 10 veces más energía que el grafito. En la práctica, debido a que hay que considerar otros aspectos de la química de la batería, un ánodo de silicio puede duplicar o triplicar de manera realista la capacidad de energía de una batería de iones de litio. En resumen, el silicio es la clave para que las baterías de teléfonos inteligentes y portátiles duren diasy relojes inteligentes y otras computadoras portátiles que duran lo suficiente como para que sean realmente deseables para el uso diario. (Leer:DOE pide una batería química con 5 veces la capacidad, dentro de 5 años, ¿se puede hacer?)



El ánodo de silicio

La estructura del ánodo de silicio durante la litiación (recarga) y la delitiación (descarga). Puede ver cómo los espacios esponjosos son más pequeños / rellenados por litiación.

La cuestión es que conocemos la excelente capacidad energética del silicio desde hace siglos. El problema es que el silicio absorbe tantos iones que se expande físicamente hasta cuatro veces su tamaño original. Baterías de iones de litio, que deben ser resistentes y rígidas (porque son explosivo), obviamente no puede manejar un componente que se expande y contrae regularmente por un margen tan grande. Ahora, sin embargo, los investigadores del PNNL del DOE han fabricado un electrodo de silicio que solo se expande en un 30% en lugar de un 400%, y el 30% es viable para diseños LIB comerciales. (doi: 10.1038 / ncomms5105 - “Esponja de silicio mesoporosa como estructura anti-pulverización para ánodos de baterías de iones de litio de alto rendimiento”)

La salsa secreta de PNNL es el desarrollo de una esponja de silicona mesoporosa - básicamente un trozo de silicona que está plagado de agujeros. En lugar de expandirse hacia afuera en un 400%, el silicio se expande para llenar los agujeros esponjosos. El ánodo de silicio poroso tiene una densidad de energía de 750 mAh por gramo (aproximadamente el doble que el grafito). Además, su estructura parece ser increíblemente resistente: después de 1000 ciclos de carga / descarga, la batería del prototipo aún retuvo el 80% de su capacidad total de energía.

El ánodo de silicio

El rendimiento del ánodo de silicio, durante cientos de ciclos de carga / descarga

En el futuro, el equipo de PNNL ahora tiene que crear un prototipo más grande, algo que podría alimentar un teléfono inteligente, y necesita agilizar el proceso de producción del electrodo para que sea comercialmente viable. Sin embargo, hay razones para creer que tendrán éxito en ambos aspectos: Amprius, una puesta en marcha de baterías de iones de litio, es ya enviando baterías con un ánodo de silicio. Sus ganancias de densidad de energía han sido más modestas (~ 10-50%), pero a estas alturas está bastante claro que el silicio probablemente será el próximo gran avance en la densidad de energía LIB, impulsando la computación móvil hacia adelante.

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