Agrupados en un International research laboratory (IRL), investigadores del Laboratorio de Nanotecnologías y Nanosistemas, de la Universidad de Sherbrooke, del Instituto Nacional de Investigación Científica y del laboratorio Materiales Ingeniería y Ciencia han desarrollado una nueva arquitectura de ánodos de silicio.
De acuerdo con estos estudios publicados en la revista Energy Storage Materials, almacenan al menos tres veces más energía de lo esperado, y duran doscientos ciclos en lugar de solo unos pocos.
Entre los dispositivos electrónicos portátiles, el Internet de las cosas y los vehículos eléctricos, la demanda de baterías de alta densidad energética sigue en aumento. La tecnología más desarrollada, la batería de ion-litio, utiliza ánodos de grafito cuyo rendimiento ya no mejora lo suficiente para satisfacer esta demanda. Los ánodos de silicio, por su parte, ofrecen una capacidad de almacenamiento de energía diez veces superior al mismo volumen, pero se hinchan tanto durante la carga que degradan la batería en solo unos pocos ciclos.
Gracias a una sólida colaboración franco-quebequense, investigadores del Laboratorio de Nanotecnologías y Nanosistemas (LN2, CNRS/Centrale Lyon/INSA Lyon/Univ. Grenoble Alpes/Univ. Sherbrooke), de la universidad de Sherbrooke (Canadá), del Instituto Nacional de la Investigación Científica (INRS, Canadá) y del laboratorio Materiales Ingeniería y Ciencia (MatéiS, CNRS/INSA Lyon/Univ. Claude Bernard) han desarrollado una nueva arquitectura de ánodos de silicio, que alcanzan un estado del arte en almacenamiento, sin dañarse durante al menos doscientos ciclos de carga y descarga.
Los investigadores solucionaron el problema de la hinchazón utilizando silicio poroso. El aumento de volumen durante la carga se realiza hacia el interior, reduciendo el tamaño de los poros, en lugar de hinchar todo el material. Sin embargo, esta estructura conlleva una acumulación irreversible de litio en los poros, lo que afecta el rendimiento de la batería. Los investigadores aplicaron un tratamiento térmico que forma una capa superficial minúscula de silicio sólido, que disminuye la superficie de contacto con el electrolito.
Detalle de un ánodo de silicio con la capa porosa (P-SI) y la capa masiva (Bulk).
© Sofiane Abdelouhab et al.
Esta arquitectura también presenta propiedades mecánicas originales, aunque aún poco entendidas. Este diseño tipo sandwich ofrece un rendimiento de almacenaje de 9 mAh.cm-2 a lo largo de más de doscientos ciclos, tres veces el umbral considerado interesante por los industriales. En un número limitado de ciclos, estos ánodos incluso alcanzan hasta 20 mAh.cm-2. Todo ello mediante métodos de bajo coste, compatibles con los procesos convencionales de la microelectrónica.
Este proceso ha sido patentado y el equipo ahora explora cómo hacer que estos ánodos funcionen con electrolitos sólidos, más seguros que sus equivalentes líquidos.
Referencias:
High-areal capacity Si architecture as an on-chip anode for lithium-ion batteries.
Sofiane Abdelouhab, Graniel Harne A. Abrenica, Alexandre Heitz, Sylvain Meille, Lionel Roué, Abderraouf Boucherif, Denis Machon.
Energy Storage Materials, Volumen 65, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103172