Expertos de KIST (Institute of Science and Technology), en Corea del Sur, han logrado identificar las rutas de migración de iones de litio, utilizando una plataforma de análisis de batería integral de diseño propio.
En medio de los esfuerzos globales hacia la neutralidad de carbono, los fabricantes de automóviles de todo el mundo participan activamente en la investigación y el desarrollo para convertir los vehículos con motor de combustión interna en eléctricos.
Uno de los resultados es la mayor competencia para mejorar el rendimiento de la batería, que es el corazón de los vehículos eléctricos.
Desde su comercialización en 1991, las baterías de iones de litio han tenido una cuota dominante en la mayoría de los segmentos del mercado, desde pequeños electrodomésticos hasta vehículos eléctricos, gracias a la mejora continua en densidad y eficiencia energética. Sin embargo, todavía no se comprenden bien algunos fenómenos que ocurren dentro de estas baterías, como la expansión y el deterioro del material del ánodo.
Ahora un equipo de especialistas de KIST, dirigidos por el doctor Hong-Kyu Kim, ha logrado la observación en tiempo real de la expansión y el deterioro del material del ánodo dentro de las baterías, debido al movimiento de los iones de litio. Las claves de este avance científico se detallan en un estudio que difunde ACS Energy Letters.
Vida útil de las baterías de litio
En general, se sabe que el rendimiento y la vida útil de las baterías de iones de litio dependen de varios cambios que ocurren en los materiales de los electrodos internos, durante los procesos de carga y descarga.
Sin embargo, es difícil monitorear estos cambios durante la operación porque los principales materiales de la batería, como electrodos y electrolitos, se contaminan instantáneamente cuando se exponen al aire.
Por lo tanto, la observación y el análisis precisos de los cambios estructurales en el material del electrodo, durante la migración de iones de litio, es el factor más importante para mejorar el rendimiento y la seguridad.
En una batería de estas características, los iones de litio se mueven hacia el ánodo durante la carga y se mueven hacia el ánodo durante la descarga. El equipo de investigación de KIST consiguió observar en tiempo real un ánodo compuesto de silicio y grafito, que se estudia para su uso comercial como batería de alta capacidad.
En teoría, la capacidad de carga del silicio es 10 veces mayor que la del grafito, un material de ánodo convencional. Sin embargo, el volumen de nanopolvos de silicio se cuadruplica durante el proceso de carga, lo que dificulta garantizar el rendimiento y la seguridad.
Nanoporos
Se ha planteado la hipótesis de que los nanoporos formados durante la mezcla de los componentes de los compuestos de silicio y grafito pueden adaptarse a la expansión de volumen del silicio durante la carga de la batería, cambiando así el volumen de la batería.
Ahora y utilizando una plataforma de análisis de baterías de diseño propio, el equipo de investigadores de KIST observó directamente la migración de iones de litio al ánodo, compuesto de silicio y grafito durante la carga, e identificó el papel práctico de los nanoporos.
Encontraron que los iones de litio migran secuencialmente hacia el carbono, los nanoporos y el silicio en el compuesto de silicio y grafito. Además, observaron que los poros de tamaño nanométrico tienden a almacenar iones de litio (litiación de relleno previo) antes que las partículas de litio-silicio (litiación de Si), mientras que los poros de tamaño micro acomodan la expansión de volumen del silicio como se creía anteriormente.
Estos científicos sugieren un enfoque novedoso que distribuya adecuadamente los poros de tamaño micro y nano para aliviar la expansión del volumen del silicio, mejorando así la seguridad del material.
