Expansión del uso de silicio en baterías, al evitar que los electrodos se expandan

Investigadores de Drexel y Trinity College en Irlanda han desarrollado una forma de intercalar láminas de MXene entre partículas de silicio para formar un ánodo estable que ampliaría la capacidad de las baterías de iones de litio.

Es probable que las últimas baterías de iones de litio en el mercado extiendan la vida útil de carga a carga de los teléfonos y automóviles eléctricos hasta en un 40 por ciento. Este salto adelante, que se produce después de más de una década de mejoras incrementales, se debe a que los desarrolladores reemplazaron el ánodo de grafito de la batería por uno hecho de silicio. La investigación de la Universidad de Drexel y el Trinity College en Irlanda ahora sugiere que una mejora aún mayor podría estar en línea si el silicio se fortalece con un tipo especial de material llamado MXene.

Este ajuste podría extender la vida útil de las baterías de iones de litio hasta cinco veces, informó recientemente el grupo en Nature Communications. Es posible debido a la capacidad del material bidimensional MXene para evitar que el ánodo de silicio se expanda hasta su punto de ruptura durante la carga, un problema que impidió su uso durante algún tiempo.

"Se proyecta que los ánodos de silicio reemplacen a los ánodos de grafito en las baterías de iones de litio con un gran impacto en la cantidad de energía almacenada", dijoYury Gogotsi, PhD , Universidad Distinguida y Profesor Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel y director del Instituto de Nanomateriales AJ Drexel en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, quien fue coautor de la investigación. "Descubrimos que agregar materiales MXene a los ánodos de silicio puede estabilizarlos lo suficiente como para usarlos en baterías".

En las baterías, la carga se mantiene en los electrodos, el cátodo y el ánodo, y se entrega a nuestros dispositivos a medida que los iones viajan de ánodo a cátodo. Los iones regresan al ánodo cuando se recarga la batería. La duración de la batería se ha incrementado constantemente al encontrar formas de mejorar la capacidad de los electrodos para enviar y recibir más iones. Sustituir el silicio por grafito como material principal en el ánodo de iones de litio mejoraría su capacidad de absorción de iones porque cada átomo de silicio puede aceptar hasta cuatro iones de litio, mientras que en los ánodos de grafito, seis átomos de carbono reciben solo un litio. Pero a medida que se carga, el silicio también se expande, hasta en un 300 por ciento, lo que puede provocar que se rompa y que la batería no funcione correctamente.

La mayoría de las soluciones a este problema han implicado agregar materiales de carbono y aglutinantes de polímeros para crear una estructura que contenga el silicio. El proceso para hacerlo, según Gogotsi, es complejo y el carbón contribuye poco al almacenamiento de carga de la batería.

Por el contrario, el método del grupo Drexel y Trinity mezcla polvo de silicio en una solución de MXene para crear un ánodo híbrido de silicio-MXene. Las nanoláminas MXene se distribuyen aleatoriamente y forman una red continua mientras se envuelven alrededor de las partículas de silicio, actuando así como aditivo conductor y aglutinante al mismo tiempo. Es el marco MXene el que también impone orden a los iones a medida que llegan y evita que el ánodo se expanda.

"Los MXenes son la clave para ayudar al silicio a alcanzar su potencial en las baterías", dijo Gogotsi. "Debido a que los MXenes son materiales bidimensionales, hay más espacio para los iones en el ánodo y pueden moverse más rápidamente hacia él, lo que mejora tanto la capacidad como la conductividad del electrodo. También tienen una excelente resistencia mecánica, por lo que los ánodos de silicio-MXene también son bastante duraderos hasta 450 micras de espesor".

Los MXenes, que se descubrieron por primera vez en Drexel en 2011, se fabrican grabando químicamente un material cerámico en capas llamado fase MAX, para eliminar un conjunto de capas químicamente relacionadas, dejando una pila de escamas bidimensionales. Los investigadores han producido más de 30 tipos de MXene hasta la fecha, cada uno con un conjunto de propiedades ligeramente diferente. El grupo seleccionó dos de ellos para hacer los ánodos de silicio-MXene probados para el papel: carburo de titanio y carbonitruro de titanio. También probaron ánodos de batería hechos de nanopartículas de silicio envueltas en grafeno.

Las tres muestras de ánodos mostraron una mayor capacidad de iones de litio que los ánodos de grafito o silicio-carbono actuales utilizados en las baterías de iones de litio y una conductividad superior, del orden de 100 a 1000 veces mayor que los ánodos de silicio convencionales, cuando se agrega MXene.

"La red continua de nanoláminas MXene no solo proporciona suficiente conductividad eléctrica y espacio libre para acomodar el cambio de volumen, sino que también resuelve bien la inestabilidad mecánica del Si", escriben. "Por lo tanto, la combinación de tinta MXene viscosa y Si de alta capacidad demostrada aquí ofrece una técnica poderosa para construir nanoestructuras avanzadas con un rendimiento excepcional".

Chuanfang Zhang, PhD, investigador postdoctoral en Trinity y autor principal del estudio, también señala que la producción de ánodos MXene, mediante fundición en suspensión, es fácilmente escalable para la producción en masa de ánodos de cualquier tamaño, lo que significa que podrían se abren paso en las baterías que alimentan casi cualquiera de nuestros dispositivos.

"Teniendo en cuenta que ya se informaron más de 30 MXenes, y se prevé que existan más, ciertamente hay mucho espacio para mejorar aún más el rendimiento electroquímico de los electrodos de la batería mediante el uso de otros materiales de la gran familia MXene", dijo.

El estudio fue dirigido por Zhang, un investigador postdoctoral en el Trinity College que era estudiante de doctorado en el laboratorio de Gogotsi. Fue un esfuerzo de colaboración entre los profesores de Gogotsi y Trinity, Jonathan N. Coleman y Valeria Nicolosi, líderes europeos reconocidos en el campo de los materiales 2D. Sang-Hoon Park, Andrés Seral-Ascaso, Sebastian Barwich, Niall McEvoy, Conor S. Boland, del Trinity College también contribuyeron a esta investigación.

Lea el estudio completo aquí: https://rdcu.be/bnE0s

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