Hispanopedia WikiUna batería de silicio de estado sólido o batería de estado sólido con ánodo de silicio es un tipo de batería recargable de iones de litio que consta de un electrolito sólido , un cátodo sólido y un ánodo sólido a base de silicio . [ 1 ] [ 2 ]
En las baterías de silicio de estado sólido, los iones de litio viajan a través de un electrolito sólido desde un cátodo positivo hasta un ánodo de silicio negativo. Los ánodos de silicio para baterías de iones de litio se han estudiado y ya están empezando a aparecer en el mercado. Los avances de 2021 demostraron que las baterías de iones de litio de silicio de estado sólido son posibles y ofrecen muchos de los beneficios hipotetizados. [ 1 ] Los electrolitos sólidos interactúan más fácilmente con el ánodo. Estas baterías se diferencian de otras baterías de estado sólido por el uso de silicio en lugar de materiales con menor densidad energética. [ 1 ]
El silicio es difícil de manipular porque se expande más del 300 % durante la litiación (también conocida como intercalación de litio ). Esto contribuye a la otra gran dificultad: la pérdida de litio debido a su acumulación dentro de la batería. [ 1 ] [ 3 ]
Historia
Las baterías de iones de litio se propusieron por primera vez en una patente francesa de 1949. La investigación y el desarrollo comenzaron en la década de 1960. Estas baterías inicialmente utilizaban electrolitos líquidos orgánicos, que presentaban dos problemas principales: los electrolitos orgánicos y el litio metálico eran inestables juntos, y se formaban dendritas durante los ciclos de carga y descarga, lo que podía provocar cortocircuitos. En la década de 1980, se propusieron dos soluciones:
- reemplazar el litio con algún otro material,
- Utilice un electrolito sólido.
La investigación sobre el segundo de estos aspectos condujo a las primeras baterías recargables de litio metálico de estado sólido. [ 4 ]
Un prototipo de laboratorio de batería de estado sólido con ánodo de silicio fue desarrollado mediante la colaboración entre ingenieros de la Universidad de California, San Diego e investigadores de LG Energy Solutions . [ 5 ] [ 6 ] Los intentos de combinar un electrolito sólido y un electrodo de red de microsilicio lograron una alta densidad de energía, una baja degradación de la capacidad durante cientos de ciclos de carga y temperaturas de carga más bajas. [ 1 ]
Silicio frente a litio
Los ánodos de silicio tienen una energía específica teórica de 4200 mAh/g, [ 2 ] más de 10 veces superior a los 372 mAh/g de las baterías de iones de litio con ánodos de grafito. [ 3 ] Sin embargo, se degradan en electrolitos líquidos y presentan problemas de expansión y contracción durante la transferencia de energía. Los intentos por mitigar estos problemas implican cambiar la estructura del ánodo sacrificando parte de la energía específica a cambio de materiales más estables. Otros intentos para mitigar los problemas con los electrolitos líquidos implican ajustar el electrolito para lograr una interfaz más eficiente. El mayor problema con el silicio es el atrapamiento de iones de litio en el ánodo. [ 1 ] Debido a estas dificultades, las aplicaciones comerciales fueron prácticamente abandonadas. [ 5 ] [ 6 ]
Diseño
Soluciones energéticas de UCSD/LG
Esta tecnología utiliza electrolitos de estado sólido de sulfato (SSE) para estabilizar y permitir el uso de un ánodo de μSi con una pureza del 99,9 % en peso. Esto limita los cambios volumétricos del ánodo de silicio durante la litiación y el crecimiento de dendritas de litio. El cátodo es de óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso. El uso de un electrolito de estado sólido reduce el contacto del μSi con el electrolito a una superficie plana y sólida. Esto hace que la dispersión de Li-Si sea más reversible. El uso de una fuente de litio no metálica elimina la alta temperatura que requieren las baterías de litio metálico para cargarse. [ 1 ]
Interfaz
Para permitir temperaturas de carga más bajas y una mejor interfaz, la batería utiliza μSi||SSE||óxido de litio-níquel-cobalto-manganeso (NCM811 – LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 ). Mientras que las baterías de electrolito líquido tienen un contacto tridimensional entre el electrodo y el electrolito, el silicio es lo suficientemente conductor como para permitir un único plano de contacto. La interfaz del SSE y el electrodo de μSi permanece como un único plano durante el cambio volumétrico causado por la intercalación de litio. Un único plano evita las interfaces multiangulares que, de otro modo, causarían fallos estructurales. [ 1 ]
Ánodo
Las baterías de iones de litio típicas utilizan un ánodo que contiene carbono, entre un 20 y un 40 por ciento en peso para las mezclas de silicio existentes. Este puede ser completamente de grafito o, en su lugar, utilizar aditivos de carbono. En una prueba con NCM811 como cátodo, un ánodo de carbono presentó una meseta de voltaje inicial de 2,5 V. El ánodo de silicio en la misma prueba presentó una meseta de voltaje inicial de 3,5 V. [ 1 ]
Es importante utilizar un ánodo sin carbono para evitar la descomposición electroquímica del SSE. El ánodo de carbono también provocó la acumulación de la interfase de electrolito sólido, un resultado indeseable de la descomposición del electrolito. En la batería sin carbono, la SEI se estabilizó rápidamente. El cloruro de sulfuro de fósforo y litio forma productos menos reactivos.
![{\displaystyle {\mathrm {Li} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{6}}\mathrm {PS} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{5}}\mathrm {Cl} {}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {Li} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {S} {}+{}\mathrm {Li} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {P} {}+{}\mathrm {LiCl} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3d0dc7e0a487d2b0b46a1d1aac0948ea1e92cdd4)
El problema más importante con las baterías de silicio de estado sólido es reducir la pérdida de energía en la batería con el tiempo, lo que limita su vida útil. [ 1 ]
Referencias
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bronceado, Darren HS; Chen, Yu-Ting; Yang, Hedi; Bao, Wurigumula; Sreenarayanan, Bhagath; Doux, Jean-Marie; Li, Weikang; Lu, Bingyu; Ham, So-Yeon; Sayahpour, Baharak; Scharf, Jonathan (24 de septiembre de 2021). "Ánodos de silicio de alta carga libres de carbono habilitados por electrolitos sólidos de sulfuro". Ciencia . 373 (6562): 1494– 1499. Bibcode : 2021Sci...373.1494T . doi : 10.1126/science.abg7217 . PMID 34554780 . S2CID 232147704 .
- 1 2 Miyazaki, Reona (2020). "Materiales de ánodo de alta capacidad para baterías de litio de estado sólido" . Frontiers in Energy Research . 8 : 171. doi : 10.3389/fenrg.2020.00171 . ISSN 2296-598X .
- 1 2 Higgins, Thomas M.; Park, Sang-Hoon; King, Paul J.; Zhang, Chuanfang (John); McEvoy, Niall; Berner, Nina C.; Daly, Dermot; Shmeliov, Aleksey; Khan, Umar; Duesberg, Georg; Nicolosi, Valeria (2016-03-08). "Un polímero conductor comercial como aglutinante y aditivo conductor para electrodos negativos de baterías de iones de litio basados en nanopartículas de silicio" . ACS Nano . 10 (3): 3702– 3713. doi : 10.1021/acsnano.6b00218 . hdl : 2262/77389 . ISSN 1936-0851 . PMID 26937766 .
- ↑ Guyomard, Dominique; Tarascon, Jean-Marie (1994). "Baterías de litio recargables tipo mecedora o de iones de litio". Advanced Materials . 6 (5): 408– 412. doi : 10.1002/adma.19940060516 . ISSN 1521-4095 .
- 1 2 Patringenaru, Ioana. "Una nueva batería de estado sólido sorprende a los investigadores que la crearon" . ucsdnews.ucsd.edu . Consultado el 21 de octubre de 2021 .
- 1 2 Dent, S (27 de septiembre de 2021). "Las baterías de silicio de estado sólido podrían durar más y cargarse más rápido" . Engadget . Recuperado el 21 de octubre de 2021 .
- Tipos de baterías