En el Consumer Electronics Show (CES) de este año en 2024, el foco estuvo en los logros innovadores en inteligencia artificial y salud. Sin embargo, la tecnología de las baterías es lo que está cambiando el juego en estas innovaciones, permitiendo una mayor eficiencia energética. En particular, los vehículos eléctricos son donde esta tecnología se aplica de manera más intensiva.
Los automóviles eléctricos de hoy en día pueden recorrer aproximadamente 700 km con una sola carga, mientras que los investigadores se esfuerzan por crear una batería con un alcance de 1000 km. Los científicos están explorando con entusiasmo el uso del silicio, conocido por su alta capacidad de almacenamiento, como material de ánodo en las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Sin embargo, a pesar del potencial del silicio, su aplicación práctica sigue siendo un misterio que los científicos están trabajando arduamente para resolver.
Entrada en tecnología de baterías a base de silicio
El profesor Soojin Park, el estudiante de doctorado Minjun Je y la Dra. Hye Bin Son del Departamento de Química de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) han resuelto el enigma desarrollando una batería de iones de litio de última generación, económica y altamente densa en energía, que utiliza partículas microscópicas de silicio y electrolitos de polímero gel. Este trabajo fue publicado recientemente en la revista Advanced Science.
Desafíos del silicio como material de batería
El uso del silicio como material de batería presenta ciertas dificultades: su capacidad de expansión aumenta más de tres veces durante la carga y luego vuelve a su tamaño original durante la descarga, lo que afecta significativamente el rendimiento de la batería. El uso de silicio de tamaño nanométrico (10-9 m) resuelve parcialmente este problema, pero el proceso de fabricación complejo es complicado y extremadamente costoso, lo que dificulta lograr rentabilidad.
En contraste, el silicio de tamaño microscópico (10-6 m) es práctico en cuanto a costo y densidad de energía. Sin embargo, los desafíos de expansión de las partículas de silicio más grandes se vuelven más pronunciados durante el funcionamiento de la batería, limitando su uso como material de ánodo.
Innovaciones en electrolitos de polímero gel
El equipo de investigación utilizó electrolitos de polímero gel en el desarrollo de un sistema de batería a base de silicio económico y estable. El electrolito en una batería de iones de litio es un componente clave que permite el movimiento de iones entre el cátodo y el ánodo. A diferencia de los electrolitos líquidos convencionales, los electrolitos en gel existen en estado sólido o gel y cuentan con una estructura de polímero flexible que proporciona una mayor estabilidad que sus contrapartes líquidas.
Mejorando el rendimiento de la batería con partículas microscópicas de silicio
El equipo de investigación aplicó enlaces covalentes entre las partículas microscópicas de silicio y los electrolitos en gel utilizando un haz de electrones. Estos enlaces ayudan a dispersar las tensiones internas causadas por la capacidad de expansión volumétrica durante el funcionamiento de las baterías de iones de litio, reduciendo los cambios de volumen de las partículas microscópicas de silicio y aumentando la estabilidad estructural.
El efecto fue extraordinario: la batería mostró un rendimiento estable incluso con partículas microscópicas de silicio (5 μm) que eran cien veces más grandes que las utilizadas en ánodos de silicio nano tradicionales. Además, el sistema de silicio-electrolito en gel desarrollado por el equipo de investigación demostró una conductividad iónica similar a las baterías convencionales que utilizan electrolitos líquidos, con una mejora aproximada del 40% en la densidad de energía. Además, el sistema desarrollado por el equipo tiene un valor significativo debido a su proceso de producción simple y listo para su aplicación inmediata.
El profesor Soojin Park enfatizó: «Utilizamos ánodos de silicio de tamaño microscópico, y sin embargo, tenemos una batería estable. Este trabajo nos acerca a un verdadero sistema de batería de iones de litio de alta densidad».
Referencia: «Formulating Electron Beam-Induced Covalent Bonds for Stable and High-Energy Micro-Sized Silicon Anodes» por Minjun Je, Hye Bin Son, Yu-Jin Han, Hangeol Jang, Sungho Kim, Dongjoo Kim, Jieun Kang, Jin-Hyeok Jeong, Chihyun Hwang, Gyujin Song, Hyun-Kon Song, Tae Sung Ha, y Soojin Park, 17 de enero de 2024, Advanced Science.
Esta investigación se llevó a cabo con el apoyo del Programa de Investigadores Independientes de la Fundación Nacional de Investigación de Corea.
Preguntas frecuentes sobre baterías de iones de litio basadas en partículas microscópicas de silicio y electrolitos de polímero gel:
1. ¿Qué innovaciones aportó el equipo de investigación de POSTECH al campo de las baterías de iones de litio?
2. ¿Qué problemas asociados con el silicio como material de ánodo en las baterías de iones de litio se resolvieron?
3. ¿Cuáles son los desafíos asociados con el uso del silicio como material de batería?
4. ¿Cuáles son las innovaciones en los electrolitos de polímero gel?
5. ¿Cómo mejoró el equipo de investigación el rendimiento de la batería utilizando partículas microscópicas de silicio?
Definiciones de terminología clave y jerga:
– Batería de iones de litio: Un tipo de batería donde la transferencia de energía entre electrodos ocurre a través del movimiento de iones de litio a través del electrolito.
– Partículas microscópicas de silicio: Pequeñas partículas de silicio con un tamaño de 10-6 m utilizadas como material de ánodo en las baterías.
– Electrolitos de polímero gel: Electrolitos en estado sólido o gel que cuentan con una estructura de polímero flexible. Utilizados para mejorar la estabilidad de la batería.
– Densidad de energía: Una medida de la cantidad de energía que se puede almacenar en un sistema dado. Una mayor densidad de energía significa más energía almacenada por unidad de volumen.
Enlaces relacionados sugeridos:
– POSTECH – Enlace al sitio web principal de POSTECH, la universidad de la que proviene el equipo de investigación.
– Advanced Science – Enlace a la revista científica donde se publicó el artículo de investigación.
The source of the article is from the blog zaman.co.at