Silício nanoestructurado para la nueva generación de baterías ión litio

Autor: Juan José Vilatela García. IMDEA Materiales

Cuando un estudiante actual de bachillerato compre su primer coche nuevo, será con toda certeza eléctrico. Y gran parte de la electricidad que use para cargarlo vendrá de enormes sistemas de baterías que formarán parte integral de la red eléctrica e irán reemplazando a las plantas de gas natural. Esta electrificación durante la próxima década será posible a través de nuevas baterías con mayor capacidad de almacenamiento y menor costo. El proceso desarrollado por IMDEA Materiales va en esa dirección. Abre una nueva vía para fabricar electrodos de Sillico, uno de los materiales considerados estratégicos para las futuras baterías en Europa.

Para mantener el ritmo en el avance hacia la electrificación son necesarias mejoras en las prestaciones y costos de los sistemas de almacenamiento de energía, particularmente de las baterías de ion litio. El caso de los vehículos eléctricos es un buen ejemplo. Es necesario aumentar la capacidad de almacenamiento para reducir el peso y aumentar el rango de los vehículos, así como incrementar la vida útil de los baterías. Dada la complejidad de las baterías, este no es un reto menor. En el proceso de almacenamiento dentro de una batería intervienen múltiples materiales organizados en capas, incluidos sólidos, líquidos, conductores, aislantes, etc, cuyas propiedades están interrelacionadas.

Dentro de todos estos materiales, el silicio ocupa un lugar especial. Es considerado el sucesor del grafito, el material usado actualmente como electrodo negativo (ánodo) en baterías de móviles, autos, etc. Ya que el Si tiene capacidad de almacenar alrededor de 10 veces más carga que el grafito, no es de sorprender que el reciente anuncio de Tesla sobre su futura generación de baterías incluya ánodos de silicio. Por otro lado, el silicio es uno de los elementos más abundantes en la tierra ya que se encuentra en la arena, rocas y en general en casi todos los minerales. El grafito natural, en cambio, escasea en Europa y está por lo tanto identificado como un material a reemplazar para garantizar la seguridad energética de la Unión Europea.

El gran reto para aprovechar el potencial del silicio es desarrollar métodos escalables que permitan producirlo con la estructura adecuada para poder aprovechar la totalidad de su capacidad de almacenamiento y evitar que se degrade durante los ciclos de carga y descarga. El proceso desarrollado en IMDEA es un salto en esta dirección, ya que permite la fabricación continua de silicio flexible, similar a un textil. Los robustez mecánica de estos electrodos hechos al 100% de Si nanoestructurado, contrasta con los electrodos tradicionales en forma de polvos que requieren adhesivos reforzantes y soportes metálicos. En el ejemplo en la imagen abajo se muestran cintas de nanohilos de Silicio, similares a textiles.

Como signo distintivo de esta tecnología es la combinación de altas prestaciones y un proceso de manufactura industrializable. Así ha sido reconocido por el Consejo Europeo de Investigación, que ha otorgado un proyecto al grupo para acelerar su desarrollo. Gracias al proyecto Europeo el equipo está avanzando en la demostración de las propiedades de estos electrodos y la escalabilidad del proceso de fabricación. Desde mediados de 2020 el equipo mantiene reuniones con empresas de la cadena de producción de baterías, incluidos productores de materiales, integradores de baterías y usuarios finales en el sector automoción. Esta iniciativa cuenta además con una asesora en transferencia tecnológica asignadas por la Comisión Europa, y apoyo de uno de los mayores expertos nacionales en gestión de proyectos de I+D industriales.

Referencias

Richard S. Schäufele, Miguel Vazquez-Pufleau, Juan J. Vilatela – Tough sheets of nanowires produced floating in the gas phase. materials horizons 7, 2978-2984, 2020. DOI: 10.1039/D0MH00777C

Contacto

Juan José Vilatela, Responsable de Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales de IMDEA Materiales e Investigador responsable del Grupo FIMDEAM del Programa FotoArt-CM.

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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