Investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju de Corea han desarrollado un método para fortalecer los ánodos de las baterías de iones de litio, haciéndolos más resistentes a los cambios de volumen.
En un artículo publicado en el Journal of Materials Chemistry A, los científicos explican que los cambios en el volumen del ánodo son causados por múltiples ciclos de carga y descarga que degradan los contactos eléctricos. El resultado final de dichos cambios es una reducción tanto de la capacidad como de la vida útil de la batería.
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Lo que sucede es que durante la carga, los iones de litio se mueven desde el cátodo y se combinan con las nanopartículas en el ánodo. Durante la descarga, los iones de litio regresan al cátodo. Con el tiempo, las nanopartículas en el ánodo se agrietan y se agrupan en la interfaz electrodo-electrolito. Esto provoca una desconexión eléctrica, reduciendo la cantidad de carga que el ánodo puede almacenar o transportar.
El método que desarrollaron los investigadores coreanos aborda estos problemas al encapsular las nanopartículas en una estructura similar a una red elástica.
Para demostrar su enfoque, el equipo utilizó un ánodo convencional que contenía nanopartículas de silicio unidas por un aglutinante de polímero (fluoruro de polivinilideno). Para acomodar la estructura similar a una red, eliminaron el aglutinante calentando el ánodo mediante un proceso de recocido.
Luego, el espacio entre las nanopartículas se llenó con una solución de óxido de grafeno reducido (rGO), que se secó para formar una red que mantenía unidas las nanopartículas de silicio y evitaba que se agrietaran. Además, la red proporcionó una vía conductora para los electrones, lo que permitió que las nanopartículas se unieran al litio.
Los investigadores utilizaron una técnica llamada «recubrimiento por rotación» para recubrir la superficie del ánodo con rGO. El recubrimiento rGO sirvió como capa semilla para la deposición de una capa protectora que consiste en óxido de zinc con óxidos metálicos de magnesio y galio agregados (MGZO). Esta capa de MGZO proporcionó estabilidad estructural al ánodo.
Tras la prueba, el ánodo modificado pudo retener la mayor parte de su carga incluso después de varios ciclos de carga/descarga.
“La estructura retuvo una alta capacidad de almacenamiento de 1566 mA h g-1 después de 91 ciclos y mostró 91% de eficiencia culómbica, que se relaciona con la duración de la batería. Esto podría allanar el camino para los vehículos eléctricos que nos permitan conducir largas distancias con una sola carga”, dijo Hyeong-Jin Kim, coautor del estudio, en un comunicado de prensa.
Según Kim, aunque él y sus colegas usaron un ánodo de silicio, el método desarrollado es aplicable a otros materiales de ánodo, como Sn, Sb, Al y Mg. Además, los ánodos se pueden modificar independientemente de cómo se fabricaron, lo que lo convierte en un método de aplicación universal para mejorar la vida útil de la batería.
