Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea ha conseguido observar en tiempo real la expansión y el deterioro del material del ánodo dentro de las baterías debido al movimiento de los iones de litio.
En un artículo publicado en la revista ACS Energy Letters, los científicos explican que, en general, se sabe que el rendimiento y la vida útil de las baterías de iones de litio se ven afectados por diversos cambios que se producen en los materiales internos de los electrodos durante los procesos de carga y descarga. Sin embargo, es difícil controlar esos cambios durante el funcionamiento porque los principales materiales de las baterías, como los electrodos y los electrolitos, se contaminan instantáneamente cuando se exponen al aire.
En una batería de iones de litio, los iones de litio se desplazan al ánodo durante la carga y se mueven al cátodo durante la descarga. El equipo del KIST consiguió observar en tiempo real un ánodo compuesto de silicio y grafito, que se está estudiando para su uso comercial como batería de alta capacidad. En teoría, la capacidad de carga del silicio es 10 veces superior a la del grafito, un material de ánodo convencional. Pero el volumen de los nanopolvos de silicio se cuadruplica durante el proceso de carga, lo que dificulta el rendimiento y la seguridad.
Se ha planteado la hipótesis de que los nanoporos que se forman durante la mezcla de los componentes de los compuestos de silicio y grafito pueden acomodar la expansión de volumen del silicio durante la carga de la batería, modificando así el volumen de la misma. Sin embargo, el papel de estos nanoporos nunca se ha confirmado por observación directa con curvas de tensión electroquímica.
Utilizando una plataforma de análisis de baterías de diseño propio, los investigadores coreanos observaron directamente la migración de iones de litio en el ánodo de compuesto de silicio-grafito durante la carga e identificaron el papel práctico de los nanoporos. Se comprobó que los iones de litio migran secuencialmente hacia el carbono, los nanoporos y el silicio en el compuesto de silicio-grafito.
Además, observaron que los nanoporos tienden a almacenar los iones de litio (litiación previa) antes que las partículas de litio-silicio (litiación del Si), mientras que los microporos se adaptan a la expansión de volumen del silicio, como se creía anteriormente. Por lo tanto, el equipo de investigación sugiere que es necesario un enfoque novedoso que distribuya adecuadamente los poros de tamaño micro y nano para aliviar la expansión de volumen del silicio, mejorando así la seguridad del material, para el diseño de materiales de ánodos de alta capacidad para baterías de iones de litio.
“Al igual que el telescopio espacial James Webb anuncia una nueva era en la exploración espacial, la plataforma de análisis de baterías del KIST abre nuevos horizontes en la investigación de materiales al permitir la observación de los cambios estructurales en las baterías eléctricas”, dijo Jae-Pyoung Ahn, jefe de la División de Recursos de Investigación del KIST, en un comunicado de prensa. “Planeamos continuar la investigación adicional necesaria para impulsar las innovaciones en el diseño de materiales de baterías, observando los cambios estructurales en los materiales de las baterías que no se ven afectados por la exposición atmosférica”.
Fuente: Mining.com