Encontré una forma de aumentar 10 veces la capacidad de las baterías de iones de litio

En todo el mundo, decenas de grupos científicos están buscando opciones para aumentar significativamente la capacidad de las baterías de iones de litio. La introducción del silicio en la estructura se considera una dirección prometedora, pero su fragilidad, la fragilidad de los compuestos basados ​​en él y otros problemas no lo permitieron durante mucho tiempo.

Pero parece que los científicos de Japón han logrado encontrar una solución al problema del silicio. Se les ocurrió un nuevo diseño del ánodo, hecho de arcos de silicio de tamaño nanométrico, que le dan la resistencia y durabilidad necesarias.

Baterías de iones de litio modernas y sus desventajas

Entonces, para empezar, solo unas pocas palabras sobre cómo funcionan las baterías de iones de litio. Entonces, como saben, una batería consta de un par de electrodos (cátodo y ánodo) y una solución electrolítica. Entonces, la tarea principal del electrolito es la transferencia de iones de litio entre el cátodo y el ánodo, que está hecho de grafito.

Entonces, durante la carga de la batería, los iones de litio se mueven a lo largo de la ruta cátodo-solución-ánodo. En el proceso de descarga, el movimiento de iones ocurre en la dirección opuesta.

Este diseño ha demostrado su eficacia y ha funcionado durante más de una docena de años. Pero el principal inconveniente de todo este diseño depurado radica en el hecho de que deben usarse seis átomos de carbono a la vez en el ánodo de grafito para almacenar un ión de litio. Por este motivo, estas baterías tienen una densidad energética baja.

Silicio y sus usos

Sin embargo, si miramos un material como el silicio, entonces uno de sus átomos puede unirse con cuatro iones de litio a la vez, lo que da un aumento de casi 10 veces en la densidad de energía. Todo parece ir bien, pero los científicos aún no han podido estabilizar el silicio.

Dado que es propenso a una expansión significativa (hasta 400% del volumen original), contracciones y rompiéndose durante el funcionamiento de la batería, todos estos efectos de deformación destruyeron los ánodos de silicio suficientemente rapido.

Un equipo de investigación del Instituto de Tecnología y Tecnología para Graduados de Okinawa (OSIT) propuso su solución al problema de estabilización del ánodo de silicio. Los ingenieros realizaron toda una serie de experimentos con capas de silicio de varios espesores en busca de una media áurea, en la que se cumplan las condiciones de alta densidad energética y estabilidad de la batería.

Los científicos han descubierto que a medida que aumenta la capa de silicio, primero aumenta la rigidez y, después de cierto punto, se produce una fuerte disminución. Se decidió estudiar con más detalle el motivo de tal transición, y esto es lo que los científicos han podido establecer.

Resultó que cuando el silicio se deposita en nanopartículas metálicas, comienzan a formarse pequeños pilares en forma de conos invertidos, que se espesan hacia la parte superior.

Resulta que con la deposición de un número creciente de átomos de silicio y, en consecuencia, el crecimiento de los pilares, se vuelven tan anchos que se tocan entre sí y forman así la estructura arqueada del nanómetro escala.

Tal estructura es bastante fuerte e incluso la utilizan los humanos en la construcción. Y resulta que antes de que se formaran estos nanoarcos, la estructura es bastante débil y su crecimiento aún mayor crea una estructura esponjosa con agujeros, que no es tan efectiva.

Y solo en el momento de la formación de dichos arcos, se crea un equilibrio que permite proporcionar una mayor capacidad de carga y es capaz de soportar una gran cantidad de ciclos de carga / descarga.

Aún no se sabe cuándo saldrán a la venta las nuevas baterías de iones de litio con ánodo de silicio, pero el hecho de que esta dirección es prometedora ya se puede reconocer en esta etapa.

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