Nuevo electrodo a bordo: materiales de ánodo de zinc blenda tipo β-SiC para baterías de iones de litio

Una metodología sencilla para la síntesis de nuevos materiales anódicos basados en nanopartículas de β-SiC para baterías de iones de litio

01.03.2022 - Japón

Las baterías de iones de litio (LIB), conocidas por su longevidad, sus excelentes características de almacenamiento de carga, su alta densidad energética y su elevado voltaje de funcionamiento, se han convertido en la piedra angular de la electrónica portátil, los vehículos electrónicos y la economía de las energías alternativas. La manipulación del material de los electrodos de las LIBs es el método más decisivo y factible para mejorar sus propiedades electroquímicas. La investigación actual sobre los materiales de los electrodos se ha extendido más allá de los ánodos convencionales de grafito basados en el carbono y hacia materiales alternativos como los óxidos de metales de transición, el estaño y los materiales basados en el silicio.

Noriyoshi Matsumi from JAIST

Los científicos desarrollaron un método escalable en dos pasos para la síntesis de nanopartículas de β-SiC incrustadas en una matriz de carbono dopada con N.

El silicio, el elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno, ha acaparado mucha atención como material prometedor para los ánodos debido a sus propiedades electrónicas, en particular una alta capacidad. Sin embargo, hay una pega: este material también sufre un cambio de volumen muy grande durante su funcionamiento. Esto afecta a su estabilidad, integridad estructural y propiedades eléctricas, lo que provoca problemas como la rotura de partículas durante la carga y la descarga o el desprendimiento del colector de corriente. Estos problemas han impedido que los materiales basados en el silicio entren en la industria comercial de las baterías de litio.

Para evitar estos problemas, el investigador Ravi Nandan, el estudiante de doctorado Noriyuki Takamori, el especialista técnico Koichi Higashimine, el profesor Rajashekar Badam y el profesor Noriyoshi Matsumi, del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón, buscaron inspiración en la blenda de zinc. En un estudio reciente publicado en el Journal of Materials Chemistry A, el equipo presenta una estrategia sofisticada, sin instrumentos y novedosa para fabricar nanopartículas de carburo de silicio de zinc blenda únicas que pueden llevarse a cabo a temperaturas relativamente bajas.

La estructura intermetálica tridimensional del sistema de blenda de zinc alberga cómodamente los iones de litio en sus sitios intersticiales. Además, sufre muy pocas variaciones volumétricas cuando el ion de litio se desplaza entre los materiales anfitriones, lo que garantiza una mayor longevidad y reversibilidad.

La contrapartida basada en el silicio del material tipo blenda de zinc es el carburo de silicio β (SiC). En estudios anteriores se han descrito técnicas para la síntesis de compuestos de β-SiC para materiales anódicos, pero la mayoría de ellos implicaban procedimientos complejos con instrumentos sofisticados. El profesor Matsumi explica: "La energía, el coste y el consumo asociados a las técnicas convencionales de síntesis de compuestos de β-SiC limitan mucho su uso. Nuestro objetivo era desarrollar un método fácil de usar, fácilmente adaptable, económico y robusto para ampliar el horizonte del β-SiC en los laboratorios para la exploración electroquímica. Sin métodos de preparación sencillos, sería difícil igualar la literatura y los conocimientos de los científicos disponibles para otros pares como el grafeno desde el punto de vista de la aplicación LIB".

El equipo diseñó un proceso de síntesis en dos pasos para la preparación del material del ánodo basado en β-SiC para las LIB. El primer paso consistió en la formación de nanopartículas de silicio en una matriz de polidopamina, y el segundo en su conversión en la variante especial de nanopartículas de β-SiC en una matriz de carbono dopado con N. Curiosamente, esta conversión requiere una temperatura mucho más baja (de hasta 600°C) en comparación con los métodos convencionales.

A continuación, el material obtenido se utilizó en una configuración de media celda anódica y se sometió a un examen electroquímico. Los resultados indicaron una alta densidad de corriente, capacidad nominal y una prometedora compatibilidad para el almacenamiento reversible de iones de litio. También mostró una alta retención de la capacidad, aproximadamente el 94% después de 300 ciclos de carga y descarga para mantener una capacidad de descarga de 1195 mAhg-1.

Este material sintetizado puede utilizarse con éxito como ánodo cuando se combina con el LiCoO2 comercial como cátodo, y las celdas completas formadas de esta manera campean por el potencial del β-SiC para su uso en un sistema LIB comercial. La técnica de preparación fácil de este estudio ha abierto las puertas a muchas investigaciones relacionadas con el β-SiC y las LIB que estaban limitadas por la disponibilidad de materiales. "Las emisiones globales de carbono debidas al transporte impulsado por combustibles fósiles aumentan cada día. Nuestra metodología de bajo coste para fabricar materiales de ánodo de β-SiC altamente eficientes permitirá el desarrollo de baterías de alta densidad energética para la industria de la automoción eléctrica más limpia y ecológica mediante su uso en vehículos eléctricos. De hecho, su aplicación puede ampliarse incluso a otras clases de vehículos, como trenes, aviones y barcos", concluye el profesor Matsumi.

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