07 de febrero de 2024 (Noticias de Nanowerk) Los avances futuristas en inteligencia artificial y atención médica acapararon la atención en el espectáculo tecnológico Consumer Electronics Show (CES) 2024. Sin embargo, la tecnología de baterías es el punto de inflexión en el corazón de estas innovaciones, ya que permite una mayor eficiencia energética. Es importante destacar que es en los vehículos eléctricos donde esta tecnología se está aplicando con mayor intensidad. Los vehículos eléctricos actuales pueden viajar unos 700 kilómetros con una sola carga, mientras que los investigadores apuntan a una autonomía de batería de 1,000 kilómetros. Los investigadores están explorando fervientemente el uso de silicio, conocido por su alta capacidad de almacenamiento, como material anódico en baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Sin embargo, a pesar de su potencial, llevar el silicio al uso práctico sigue siendo un rompecabezas que los investigadores todavía están trabajando arduamente para resolver. Ingresan el profesor Soojin Park, el candidato a doctorado Minjun Je y el Dr. Hye Bin Son del Departamento de Química de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH). Han descifrado el código, desarrollando un sistema de batería de iones de litio de alta densidad de energía de próxima generación, sólido como una roca y fácil de usar, que utiliza micropartículas de silicio y electrolitos de polímero en gel. Este trabajo fue publicado en Ciencia avanzada (“Formulación de enlaces covalentes inducidos por haces de electrones para ánodos de micropartículas de silicio estables y de alta densidad de energía”).
Formación de enlaces covalentes entre microsilicio y electrolito en gel mediante un proceso de haz de electrones. (Imagen: POSTECH) El uso de silicio como material de batería presenta desafíos: se expande más de tres veces durante la carga y luego se contrae hasta su tamaño original mientras se descarga, lo que afecta significativamente la eficiencia de la batería. Utilizando silicio de tamaño nanométrico (10-9 m) aborda parcialmente el problema, pero el sofisticado proceso de producción es complejo y astronómicamente costoso, lo que la convierte en una propuesta presupuestaria desafiante. Por el contrario, el silicio de tamaño micro (10-6m ) es magníficamente práctico en términos de coste y densidad de energía. Sin embargo, el problema de la expansión de las partículas de silicio más grandes se vuelve más pronunciado durante el funcionamiento de la batería, lo que plantea limitaciones para su uso como material anódico. El equipo de investigación aplicó electrolitos de polímeros en gel para desarrollar un sistema de batería económico pero estable a base de silicio. El electrolito dentro de una batería de iones de litio es un componente crucial que facilita el movimiento de iones entre el cátodo y el ánodo. A diferencia de los electrolitos líquidos convencionales, los electrolitos en gel existen en estado sólido o gel, caracterizados por una estructura polimérica elástica que tiene mejor estabilidad que sus homólogos líquidos. El equipo de investigación empleó un haz de electrones para formar enlaces covalentes entre partículas de microsilicio y electrolitos en gel. Estos enlaces covalentes sirven para dispersar la tensión interna causada por la expansión del volumen durante el funcionamiento de la batería de iones de litio, aliviando los cambios en el volumen del microsilicio y mejorando la estabilidad estructural. El resultado fue notable: la batería mostró un rendimiento estable incluso con micropartículas de silicio (5 μm), que eran cien veces más grandes que las utilizadas en los ánodos de nanosilicio tradicionales. Además, el sistema de electrolitos de gel de silicio desarrollado por el equipo de investigación mostró una conductividad iónica similar a la de las baterías convencionales que utilizan electrolitos líquidos, con una mejora aproximada del 40 % en la densidad de energía. Además, el sistema del equipo tiene un valor significativo debido a su sencillo proceso de fabricación que está listo para su aplicación inmediata. El profesor Soojin Park destacó: “Utilizamos un ánodo de microsilicio, pero tenemos una batería estable. Esta investigación nos acerca a un sistema real de baterías de iones de litio de alta densidad de energía”.
Formación de enlaces covalentes entre microsilicio y electrolito en gel mediante un proceso de haz de electrones. (Imagen: POSTECH) El uso de silicio como material de batería presenta desafíos: se expande más de tres veces durante la carga y luego se contrae hasta su tamaño original mientras se descarga, lo que afecta significativamente la eficiencia de la batería. Utilizando silicio de tamaño nanométrico (10-9 m) aborda parcialmente el problema, pero el sofisticado proceso de producción es complejo y astronómicamente costoso, lo que la convierte en una propuesta presupuestaria desafiante. Por el contrario, el silicio de tamaño micro (10-6m ) es magníficamente práctico en términos de coste y densidad de energía. Sin embargo, el problema de la expansión de las partículas de silicio más grandes se vuelve más pronunciado durante el funcionamiento de la batería, lo que plantea limitaciones para su uso como material anódico. El equipo de investigación aplicó electrolitos de polímeros en gel para desarrollar un sistema de batería económico pero estable a base de silicio. El electrolito dentro de una batería de iones de litio es un componente crucial que facilita el movimiento de iones entre el cátodo y el ánodo. A diferencia de los electrolitos líquidos convencionales, los electrolitos en gel existen en estado sólido o gel, caracterizados por una estructura polimérica elástica que tiene mejor estabilidad que sus homólogos líquidos. El equipo de investigación empleó un haz de electrones para formar enlaces covalentes entre partículas de microsilicio y electrolitos en gel. Estos enlaces covalentes sirven para dispersar la tensión interna causada por la expansión del volumen durante el funcionamiento de la batería de iones de litio, aliviando los cambios en el volumen del microsilicio y mejorando la estabilidad estructural. El resultado fue notable: la batería mostró un rendimiento estable incluso con micropartículas de silicio (5 μm), que eran cien veces más grandes que las utilizadas en los ánodos de nanosilicio tradicionales. Además, el sistema de electrolitos de gel de silicio desarrollado por el equipo de investigación mostró una conductividad iónica similar a la de las baterías convencionales que utilizan electrolitos líquidos, con una mejora aproximada del 40 % en la densidad de energía. Además, el sistema del equipo tiene un valor significativo debido a su sencillo proceso de fabricación que está listo para su aplicación inmediata. El profesor Soojin Park destacó: “Utilizamos un ánodo de microsilicio, pero tenemos una batería estable. Esta investigación nos acerca a un sistema real de baterías de iones de litio de alta densidad de energía”.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64611.php
