Juntos más fuertes: los electrodos entrelazados superan los límites de vida de las pilas de silicio
En la práctica, esto significa que los vehículos eléctricos pueden viajar más lejos y los smartphones pueden funcionar más tiempo con baterías del mismo tamaño
Ante el aumento de la demanda de baterías que almacenen más energía y duren más -para vehículos eléctricos, drones y sistemas de almacenamiento de energía-, un equipo de investigadores surcoreanos ha presentado un método innovador para superar una de las principales limitaciones de las baterías de iones de litio (LIB) convencionales: la inestabilidad de las interfaces entre electrodos y electrolitos.
La mayoría de los aparatos electrónicos de consumo actuales, como teléfonos inteligentes y ordenadores portátiles, utilizan baterías de grafito. Aunque el grafito ofrece estabilidad a largo plazo, se queda corto en capacidad energética. El silicio, en cambio, puede almacenar casi diez veces más iones de litio, lo que lo convierte en un prometedor material para ánodos de nueva generación. Sin embargo, el principal inconveniente del silicio es que su volumen se expande y contrae drásticamente durante la carga y la descarga, hinchándose hasta tres veces su tamaño original. Esta expansión y contracción repetidas provocan brechas mecánicas entre el electrodo y el electrolito, lo que degrada rápidamente el rendimiento de la batería.
Para solucionar este problema, los investigadores han estudiado la posibilidad de sustituir los electrolitos líquidos por electrolitos sólidos o casi sólidos (QSSE), que ofrecen mayor seguridad y estabilidad. Sin embargo, los QSSE siguen teniendo dificultades para mantener un contacto total con el silicio, que se expande y contrae, lo que provoca su separación y la pérdida de rendimiento con el tiempo.
Ahora, un equipo de investigación de POSTECH (Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang) y la Universidad de Sogang ha desarrollado un sistema de electrodo electrolito enclavado in situ (IEE) que forma enlaces químicos covalentes entre el electrodo y el electrolito. A diferencia de las baterías convencionales, en las que los componentes simplemente se tocan, el sistema IEE une ambos en una estructura químicamente entrelazada, como ladrillos unidos por mortero endurecido, de modo que permanecen firmemente conectados incluso bajo una intensa tensión mecánica.
Las pruebas de rendimiento electroquímico mostraron una diferencia espectacular: mientras que las baterías tradicionales perdían capacidad tras unos pocos ciclos de carga y descarga, las que utilizaban el diseño IEE mantenían la estabilidad a largo plazo. Y lo que es más notable, la pila de bolsa basada en la EEI demostró una densidad energética de 403,7 Wh/kg y 1300 Wh/L, lo que representa una densidad energética gravimétrica superior en más de un 60% y casi el doble de la densidad energética volumétrica en comparación con las típicas LIB comerciales. En la práctica, esto significa que los vehículos eléctricos pueden viajar más lejos y los teléfonos inteligentes pueden funcionar más tiempo con baterías del mismo tamaño.
"Este estudio ofrece una nueva dirección para los sistemas de almacenamiento de energía de próxima generación que exigen simultáneamente alta densidad energética y durabilidad a largo plazo", afirma el profesor Soojin Park, de POSTECH, que codirigió el estudio. El profesor Jaegeon Ryu, de la Universidad de Sogang, añadió: "La estrategia EEI es una tecnología clave que podría acelerar la comercialización de baterías basadas en silicio al mejorar significativamente la estabilidad interfacial."
Esta investigación fue dirigida por el profesor Soojin Park (Departamento de Química, POSTECH), el doctor Dong-Yeob Han, el doctor Im-Kyung Han (Departamento de Ciencia de los Materiales, POSTECH) y el profesor Jaegeon Ryu (Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, Universidad de Sogang). Los resultados se han publicado recientemente en la revista Advanced Science, con el apoyo del Instituto Coreano de Ciencia de Materiales y el Instituto Coreano para el Avance de la Tecnología.
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