Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea ha logrado observar en tiempo real la expansión y el deterioro del material del ánodo dentro de las baterías debido al movimiento de los iones de litio.
En un artículo publicado en la revista ACS Energy Letters, los científicos explican que el rendimiento y la vida útil de las baterías de iones de litio generalmente se sabe que se ven afectados por varios cambios que ocurren en los materiales del electrodo interno durante los procesos de carga y descarga. Sin embargo, es difícil monitorear tales cambios durante la operación porque los principales materiales de la batería, como electrodos y electrolitos, se contaminan instantáneamente cuando se exponen al aire.
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En una batería de iones de litio, los iones de litio se mueven hacia el ánodo durante la carga y hacia el cátodo durante la descarga. El equipo de KIST logró observar en tiempo real un ánodo compuesto de silicio y grafito, que se está estudiando para su uso comercial como batería de alta capacidad. Teóricamente, la capacidad de carga del silicio es 10 veces mayor que la del grafito, un material de ánodo convencional. Pero el volumen de nanopolvos de silicio se cuadruplica durante el proceso de carga, lo que dificulta garantizar el rendimiento y la seguridad.
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. Sin embargo, el papel de estos nanoporos nunca ha sido confirmado por observación directa con curvas de voltaje electroquímico.
Utilizando una plataforma de análisis de baterías de diseño propio, los investigadores coreanos observaron directamente la migración de iones de litio al ánodo compuesto de silicio y grafito durante la carga e identificaron el papel práctico de los nanoporos. Se encontró que los iones de litio migran secuencialmente hacia el carbono, los nanoporos y el silicio en el compuesto de silicio y grafito.
Además, notaron que los poros de tamaño nanométrico tienden a almacenar iones de litio (litiación de llenado 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. Por lo tanto, el equipo de investigación sugiere que para el diseño de materiales de ánodo de alta capacidad para iones de litio es necesario un enfoque novedoso que distribuya adecuadamente micro y nanoporos para aliviar la expansión de volumen del silicio, mejorando así la seguridad del material. pilas.
“Así como el Telescopio Espacial James Webb anuncia una nueva era en la exploración espacial, la plataforma de análisis de baterías KIST abre nuevos horizontes en la investigación de materiales al permitir la observación de cambios estructurales en las baterías eléctricas”, dijo Jae-Pyoung Ahn, jefe de la División de Recursos de Investigación de KIST. , dijo en un comunicado de prensa.
“Planeamos continuar con la investigación adicional necesaria para impulsar innovaciones en el diseño de materiales de baterías, mediante la observación de cambios estructurales en los materiales de las baterías que no se ven afectados por la exposición atmosférica”.
