Una cura pegajosa para las baterías de alta capacidad propensas a agrietarse

Si los autos eléctricos van a recorrer cientos de millas entre cargas, como deben competir con los autos que funcionan con gasolina, sus baterías necesitarán almacenar mucha más energía. Desafortunadamente, varios de los materiales de batería de alta capacidad más prometedores son propensos a romperse de manera que acortarían un viaje por carretera electrificado.

Poderes curativos: Las grietas que se forman en un electrodo de batería autorreparable después de que se carga (arriba) comienzan a sellar nuevamente después de cinco horas (abajo). Se obtuvieron imágenes del electrodo, una mezcla de micropartículas de silicio y un polímero autocurativo, utilizando un microscopio electrónico de barrido.

Ahora, los investigadores de la Universidad de Stanford han demostrado que mezclar un material de batería tan prometedor, las micropartículas de silicio, con polímeros autorreparables ayuda a evitar que falle una batería de mayor duración. Dicen que los polímeros autorreparables podrían estabilizar otros materiales de batería prometedores pero propensos a daños.

El electrodo negativo o ánodo de la batería autorregenerable combina silicio con polímeros que actúan como cremalleras químicas, curando las grietas que se forman cuando la batería se usa y se recarga.

El electrodo de batería autorregenerable se ha probado hasta ahora con metal de litio puro como electrodo positivo, porque su capacidad de almacenamiento es mucho mayor que la de cualquier cátodo convencional. El electrodo de autorreparación en sí tiene ocho veces la capacidad de almacenamiento de los ánodos de carbono que se encuentran en una batería recargable de iones de litio convencional. Si se combina con un cátodo convencional, crearía una batería que almacenará aproximadamente un 40 por ciento más de energía. Si se combina con un cátodo de alta capacidad correspondiente, el almacenamiento total de energía se duplicaría o triplicaría.

Si bien las baterías de silicio anteriores solo se podían descargar y recargar 10 veces antes de descomponerse, la batería con recuperación automática soporta 100 ciclos de carga. Pero eso todavía no es suficiente, reconoce el científico de materiales de Stanford. Yi Cui . Necesitamos ir a 500 ciclos para dispositivos electrónicos portátiles y algunos miles para vehículos eléctricos, dice Cui.

Aún así, el enfoque de Cui puede proporcionar una nueva forma de avanzar para los materiales prometedores que se han estancado. Esto apunta a una forma de resolver un problema general con alta - ánodos de capacidad, dice Paul Braun , científico de materiales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que no participa en el trabajo.

Los ánodos de silicio absorben grandes cantidades de litio cuando la batería está cargada y liberan todo ese litio cuando la batería se pone en uso. Dichos ánodos pueden almacenar mucha energía en un espacio pequeño, pero su alta capacidad es una desventaja en lo que respecta a los materiales de los que están hechos: cuando grandes cantidades de litio entran y salen de la batería, el silicio se expande y contrae. romper los ánodos la primera vez que se usan; lo mismo ocurre con los ánodos de estaño y germanio.

Para la batería de autorreparación, Cui colaboró ​​con otro investigador de Stanford, Zhenan Bao , que previamente había desarrollado una piel electrónica autorregenerativa basada en un polímero elástico y pegajoso (ver Piel eléctrica que rivaliza con la cosa real).

Paquete de energía: Este prototipo de celda de batería de iones de litio utiliza un electrodo de silicio autorregenerable.

Cuando el polímero se fractura, vuelve a fluir. El grupo mezcló algunas partículas de carbono conductor para garantizar que el polímero, que no es conductor, no impida el flujo de electricidad a través de la batería. Esta mezcla pegajosa se combinó luego con micropartículas de silicio para formar un ánodo. Cuando la batería está cargada y descargada, el silicio aún se expande, se contrae y se fractura, pero el polímero vuelve a unir todo. Normalmente, una vez que el ánodo se agrieta, se pierde el contacto eléctrico, dice Cui. El polímero autorreparable vuelve a unir las partes rotas.

Hay otras formas de lidiar con la tendencia al agrietamiento del silicio. El grupo de Cui ha experimentado con formas nanoestructuradas de silicio, incluidos nanocables, que pueden resistir el esfuerzo de cargar y recargar. Los ánodos de silicio nanoestructurados como este están siendo desarrollados por Más , una empresa de Sunnyvale, California, cofundada por Cui. Sin embargo, los investigadores y las empresas aún están aprendiendo sobre estos nanomateriales. Es fácil conseguir un pequeño frasco de silicio nanoestructurado, pero producir 50 o 60 toneladas a un costo razonable es un gran problema que no se ha resuelto, dice Braun.

Cui dice que la combinación de micropartículas con el polímero curativo podría ser menos costosa y más práctica para baterías de alta capacidad que los enfoques que requieren costosos nanomateriales. Las micropartículas de silicio utilizadas en la demostración de la batería autorreparable se pueden comprar en grandes cantidades y no son muy caras.

Nancy Sottos , científico de materiales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, ha desarrollado otro enfoque: Sottos mezcla cápsulas de materiales curativos con los materiales de la batería. Uno de esos materiales es una burbuja que explota para liberar metal conductor para reparar las conexiones eléctricas en una batería dañada. Su grupo ha realizado demostraciones tempranas de prueba de concepto utilizando este método.

Yuegang Zhang , un investigador de baterías del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, dice que el aglutinante autocurativo de Stanford es prometedor para otros tipos de materiales de batería de alta capacidad, como el estaño. Zhang ha adoptado un enfoque diferente en su propio trabajo, mezclando nanoestructuras de estaño con grafeno elástico, fuerte y conductor para mantener unidos los ánodos. Observando la pequeña cantidad de veces que se pueden recargar las baterías de silicio de Cui, dice, el silicio todavía tiene problemas, pero me gusta esta idea.

Ahora que hicieron la primera demostración, Cui y Bao están trabajando en arreglos que permitirían que su batería de silicio autorregenerable pase por más ciclos de carga. Recién estamos comenzando, dice Cui.

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