Una nueva batería de silicio de estado sólido sorprende a los investigadores

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Los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego han dirigido una investigación, en colaboración con investigadores de LG Energy Solution, con la que han creado un nuevo tipo de batería que entrelaza dos prometedores subcampos de baterías en una sola batería, según se describe en el artículo titulado «Carbon Free High Loading Silicon Anodes Enabled by Sulfide Solid Electrolytes», en la edición número del 24 de septiembre de 2021 de la revista Science, tal y como recoge la Universidad en una nota de prensa. La batería utiliza un electrolito de estado sólido y un ánodo de silicio, lo que la convierte en una batería de estado sólido de silicio. Las primeras rondas de pruebas muestran que la nueva batería es segura, duradera y de gran densidad energética. Es prometedora para una amplia gama de aplicaciones, desde el almacenamiento en red hasta los vehículos eléctricos.

 

Los ánodos de silicio son famosos por su densidad energética, que es 10 veces mayor que la de los ánodos de grafito que se utilizan con más frecuencia en las baterías comerciales de iones de litio actuales. Por otro lado, los ánodos de silicio son famosos por cómo se expanden y contraen cuando la batería se carga y descarga, y por cómo se degradan con los electrolitos líquidos. Estos problemas han mantenido los ánodos de silicio fuera de las baterías comerciales de iones de litio, a pesar de su tentadora densidad energética. El nuevo trabajo publicado en Science ofrece un camino prometedor para los ánodos de silicio, gracias al electrolito adecuado.

«Con esta configuración de batería, abrimos un nuevo territorio para las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de aleación como el silicio», afirma Darren H. S. Tan, autor principal del trabajo. Tan ha terminado recientemente su doctorado en ingeniería química en la Escuela de Ingeniería Jacobs de la Universidad de California en San Diego y ha cofundado la empresa UNIGRID Battery, que ha obtenido la licencia de esta tecnología.

Las baterías de estado sólido de nueva generación con altas densidades de energía siempre han dependido del litio metálico como ánodo. Pero esto impone restricciones a la velocidad de carga de la batería y la necesidad de una temperatura elevada (normalmente 60 grados centígrados o más) durante la carga. El ánodo de silicio supera estas limitaciones y permite velocidades de carga mucho más rápidas a temperatura ambiente o baja, al tiempo que mantiene altas densidades de energía.

El equipo demostró una célula completa a escala de laboratorio que ofrece 500 ciclos de carga y descarga con un 80% de retención de la capacidad a temperatura ambiente, lo que representa un progreso emocionante para las comunidades de ánodos de silicio y baterías de estado sólido.

El silicio como ánodo para sustituir al grafito

Desde la izquierda:
1) La batería de estado sólido consta de una capa compuesta de cátodo, una capa de electrolito sólido de sulfuro y un ánodo de microsilicio sin carbono.
2) Antes de la carga, discretas partículas de silicio a microescala conforman el ánodo de alta densidad energética. Durante la carga de la batería, los iones de litio positivos se desplazan del cátodo al ánodo y se forma una interfaz 2D estable.
3) A medida que más iones de Litio se mueven hacia el ánodo, reaccionan con el microsilicio para formar partículas interconectadas de aleación de Litio y Silicio (Li-Si). La reacción continúa propagándose por todo el electrodo.
4) La reacción provoca la expansión y densificación de las partículas de microsilicio, formando un electrodo de aleación de Li-Si denso. Las propiedades mecánicas de la aleación Li-Si y del electrolito sólido tienen un papel crucial en el mantenimiento de la integridad y el contacto a lo largo del plano interfacial 2D.

Imagen: Universidad de California

Los ánodos de silicio, por supuesto, no son nuevos. Durante décadas, los científicos y los fabricantes de baterías han considerado el silicio como un material de alta densidad energética para mezclar con los ánodos de grafito convencionales en las baterías de iones de litio, o para sustituirlos por completo. En teoría, el silicio ofrece aproximadamente 10 veces la capacidad de almacenamiento del grafito. Sin embargo, en la práctica, las baterías de iones de litio con silicio añadido al ánodo para aumentar la densidad energética suelen sufrir problemas de rendimiento en el mundo real: en concreto, el número de veces que la batería puede cargarse y descargarse manteniendo el rendimiento no es lo suficientemente alto.

Gran parte del problema se debe a la interacción entre los ánodos de silicio y los electrolitos líquidos con los que se han emparejado. La situación se complica por la gran expansión de volumen de las partículas de silicio durante la carga y la descarga. Esto provoca graves pérdidas de capacidad con el paso del tiempo.

«Como investigadores de baterías, es vital abordar los problemas de raíz del sistema. En el caso de los ánodos de silicio, sabemos que uno de los grandes problemas es la inestabilidad de la interfaz del electrolito líquido», afirma la profesora de nanoingeniería de la UC San Diego Shirley Meng, autora correspondiente del artículo de Science y directora del Instituto de Descubrimiento y Diseño de Materiales de la UC San Diego. «Necesitábamos un enfoque totalmente diferente», dijo Meng.

Efectivamente, el equipo dirigido por la UC San Diego adoptó un enfoque diferente: eliminaron el carbono y los aglutinantes propios de los ánodos de silicio. Además, los investigadores utilizaron microsilicio, que está menos procesado y es menos caro que el nano-silicio que se utiliza con más frecuencia.

Una solución totalmente de estado sólido

Además de eliminar todo el carbono y los aglutinantes del ánodo, el equipo también eliminó el electrolito líquido. En su lugar, utilizaron un electrolito sólido a base de sulfuro. Sus experimentos demostraron que este electrolito sólido es extremadamente estable en baterías con ánodos totalmente de silicio.

«Este nuevo trabajo ofrece una solución prometedora al problema de los ánodos de silicio, aunque aún queda trabajo por hacer», dijo el profesor Meng. «Veo este proyecto como una validación de nuestro enfoque de la investigación de baterías aquí en la UC San Diego. Combinamos el trabajo teórico y experimental más riguroso con la creatividad y el pensamiento innovador. También sabemos cómo interactuar con los socios de la industria al tiempo que perseguimos duros retos fundamentales».

Los esfuerzos realizados en el pasado para comercializar ánodos de aleación de silicio se centraron principalmente en los compuestos de silicio-grafito o en la combinación de partículas nanoestructuradas con aglutinantes poliméricos. Pero siguen teniendo problemas de estabilidad.

Al cambiar el electrolito líquido por un electrolito sólido y, al mismo tiempo, eliminar el carbono y los aglutinantes del ánodo de silicio, los investigadores evitaron una serie de problemas relacionados que surgen cuando los ánodos se empapan del electrolito líquido orgánico mientras la batería funciona.

Al mismo tiempo, al eliminar el carbono del ánodo, el equipo redujo considerablemente el contacto interfacial (y las reacciones secundarias no deseadas) con el electrolito sólido, evitando la pérdida continua de capacidad que suele producirse con los electrolitos de base líquida.

Este movimiento en dos partes permitió a los investigadores aprovechar plenamente las ventajas del bajo coste, la alta energía y las propiedades benignas para el medio ambiente del silicio.

Impacto y comercialización de spin-offs

«El enfoque del silicio en estado sólido supera muchas limitaciones de las baterías convencionales. Nos ofrece interesantes oportunidades para satisfacer la demanda del mercado de mayor energía volumétrica, menores costes y baterías más seguras, especialmente para el almacenamiento de energía en la red», afirma Darren H. S. Tan, primer autor del artículo de Science.

A menudo se creía que los electrolitos sólidos basados en sulfuro eran muy inestables. Sin embargo, esto se basaba en las interpretaciones termodinámicas tradicionales utilizadas en los sistemas de electrolitos líquidos, que no tenían en cuenta la excelente estabilidad cinética de los electrolitos sólidos. El equipo vio la oportunidad de utilizar esta propiedad contraria a la intuición para crear un ánodo altamente estable.

Tan es el director general y cofundador de una empresa emergente, UNIGRID Battery, que ha obtenido la licencia de la tecnología para estas baterías de silicio de estado sólido.

Paralelamente, en la Universidad de California en San Diego se continuará con el trabajo fundamental relacionado, incluida la colaboración de investigación adicional con LG Energy Solution, quienes apoyan activamente la investigación relacionada con las baterías. .

«LG Energy Solution está encantada de que la última investigación sobre la tecnología de las baterías con la UC San Diego haya llegado a la revista Science, un reconocimiento muy significativo», dijo Myung-hwan Kim, Presidente y Director de Compras de LG Energy Solution. «Con el último hallazgo, LG Energy Solution está mucho más cerca de realizar técnicas de baterías de estado sólido, lo que diversificaría en gran medida nuestra línea de productos de baterías».

«Como fabricante líder de baterías, LGES seguirá esforzándose por fomentar las técnicas más avanzadas en la investigación principal de las células de baterías de próxima generación», añadió Kim. LG Energy Solution dijo que tiene previsto seguir ampliando su colaboración en la investigación de baterías de estado sólido con la UC San Diego.

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