Baterias de silicio-grafeno
Imagen microscópica de las celdas de grafeno conteniendo las partículas de silicio

Los investigadores han logrado encerrar las partículas de un ánodo de silicio en jaulas de grafeno con el fin de evitar su rotura y las consiguientes reacciones no deseadas con el electrolito.

Las baterías de silicio son una de las tecnologías en la que más esperanzas tiene depositadas  la industria ya que serían capaces de almacenar hasta 10 veces más energía que las que conocemos hoy de litio. El problema de estas baterías es que el silicio tiende a hincharse y romperse en el ciclado de carga y descarga lo que provoca reacciones inesperadas con el electrolito.

El grafeno contiene la partícula de silicio evitando que se disgregue y reaccione con el electrolito

Un equipo de la Universidad de Stanford y del Departamento de Energía del SLAC National Accelerator Laboratory propone encerrar cada partícula de silicio en una jaula de grafeno para resolver este problema. Una vez más el material que más de moda está durante estos días podría revolucionar las baterías que conocemos hasta ahora.

La revista Nature Energy publica el estudio ‘Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes’, en el que los investigadores explican el método para la construcción de las jaulas microscópicas lo suficientemente grandes como para permitir la expansión del silicio y lo suficientemente pequeñas como para mantener juntos los pedazos cuando la partícula se desintegre. Estas jaulas además bloquean las indeseables reacciones químicas que se producen con el electrolito.

Baterias de silicio-grafeno
Comparación entre el funcionamiento del ánodo de silicio con y sin jaula de grafeno

Yi Cui, director de la investigación:

Durante las pruebas, las jaulas de grafeno mejoran la conductividad eléctrica de las partículas y porporcionan una alta capacidad de carga, mayor estabilidad química y mayor eficiencia. Este método es además aplicable a otros materiales con los que se fabriquen los electrodos

Anteriormente este mismo equipo ya había encontrado formas de confinar las nanopartículas de silicio para protegerlas, pero los ánodos resultantes no eran lo suficientemente eficientes además de necesitar nanopartículas caras y difíciles de fabricar. Con este nuevo método se pueden emplear partículas de silicio mucho más grandes, entre una y tres micras de diámetro, mucho más baratas y fáciles de conseguir.

Las partículas que utilizamos son muy similares a los residuos generados por el fresado de lingotes de silicio para hacer los chips semiconductores. Son como trozos de serrín de diferentes formas y tamaños

Para construir las jaulas de grafeno alrededor de las partículas de silicio los investigadores recubrieron las partículas con níquel. El grafeno crece en la parte superior de estas capas. A continuación se utiliza un ácido para disolver el níquel y crear el espacio para que el silicio se expanda dentro de la jaula

El siguiente paso para el equipo es la puesta a punto del proceso y la producción de las partículas de silicio enjauladas en cantidades lo suficientemente grandes para construir baterías a escala comercial para arrancar las pruebas.

Enlace al informe original de Nature Energy

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