Un nuevo tipo de batería que entrelaza dos tecnologías de desarrollo prometedoras ha mostrado eficacia para una amplia gama de aplicaciones, desde almacenamiento en red hasta vehículos eléctricos.
La batería utiliza tanto un electrolito de estado sólido como un ánodo de silicio, lo que la convierte en una batería de estado sólido de silicio. Las rondas iniciales de pruebas muestran que la nueva batería es segura, duradera y densa en energía.
La tecnología de la batería se describe en la revista Science. Nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego dirigieron la investigación, en colaboración con investigadores de LG Energy Solution.
Los ánodos de silicio son reconocidos por su densidad de energía, que es 10 veces mayor que los ánodos de grafito que se utilizan con mayor frecuencia en las baterías comerciales de iones de litio de la actualidad.
Por otro lado, los ánodos de silicio presentan deficiencias por la forma en que se expanden y contraen a medida que la batería se carga y descarga, y por cómo se degradan con los electrolitos líquidos. Estos desafíos han mantenido a los ánodos totalmente de silicio fuera de las baterías comerciales de iones de litio a pesar de la tentadora densidad de energía. El nuevo trabajo publicado en Science proporciona un camino prometedor para los ánodos totalmente de silicio, gracias al electrolito adecuado.
«Con esta configuración de batería, estamos abriendo un nuevo territorio para las baterías de estado sólido que utilizan ánodos de aleación como el silicio», dijo en un comunicado Darren H. S. Tan, autor principal del artículo. Recientemente completó su doctorado en ingeniería química. en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y cofundó una startup UNIGRID Battery que ha obtenido la licencia de esta tecnología.
Las baterías de estado sólido de próxima generación con altas densidades de energía siempre se han basado en el litio metálico como ánodo. Pero eso impone restricciones en las tasas de carga de la batería y la necesidad de temperatura elevada (generalmente 60 grados Celsius o más) durante la carga. El ánodo de silicio supera estas limitaciones, lo que permite velocidades de carga mucho más rápidas en la habitación a temperaturas bajas, al tiempo que mantiene altas densidades de energía.
El equipo demostró una batería completa a escala de laboratorio que ofrece 500 ciclos de carga y descarga con una retención de capacidad del 80% a temperatura ambiente, lo que representa un progreso emocionante para las comunidades de baterías de estado sólido y ánodo de silicio.
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.
La batería consta de una capa compuesta de cátodo, una capa de electrolito sólido de sulfuro y un ánodo de microsilicio libre de carbono. Antes de la carga, las partículas de silicio discretas a microescala forman el ánodo denso en energía. Durante la carga de la batería, los iones de litio positivos se mueven desde el cátodo al ánodo y se forma una interfaz 2D estable.
A medida que más iones de litio se mueven hacia el ánodo, este reacciona con el micro-silicio para formar partículas de aleación de litio-silicio (Li-Si) interconectadas. La reacción continúa propagándose por todo el electrodo. La reacción provoca la expansión y densificación de las micropartículas de silicio, formando un electrodo denso de aleación de Li-Si. Las propiedades mecánicas de la aleación de Li-Si y el electrolito sólido tienen un papel crucial en el mantenimiento de la integridad y el contacto a lo largo del plano interfacial 2D.
