Las baterías de litio están causando un renacimiento en el desarrollo de vehículos eléctricos, y lo que es atractivo no se reduce a la capacidad de carga de los prototipos actuales, que es el doble del de las baterías de níquel e hidruro metálico. Según una evaluación sobre las baterías para vehículos eléctricos publicada por la University of California en Davis, en mayo, lo ‘más importante’, es el potencial de mejorar el rendimiento cara al futuro. Un electrodo para baterías de litio de alto rendimiento desarrollado en la Hanyang University, en Ansan, Corea del Sur, podría contribuir al alcance de ese potencial.

El equipo de Hanyang, liderado por el químico Jaephil Cho, desarrolló un electrodo de silicio nano-poroso que podría al menos duplicar la capacidad de carga de una batería de litio – duplicando esencialmente la autonomía de un vehículo eléctrico. Y a diferencia de ánodos de silicio presentados anteriormente, el creado por el equipo de Cho puede cargarse y descargarse rápidamente.“Es un trabajo muy bueno, muy impresionante”, expresa Yi Cui, un científico especialista en materiales de la Stanford University que está desarrollando sus propios electrodos de silicio nano-estructurados para las baterías de litio.Cargar una batería de litio implica llevar iones de litio desde el electrodo positivo de la batería (o cátodo) a su electrodo negativo (o ánodo). La afinidad electroquímica del silicio con los iones de litio lo transforma en un material excelente para un ánodo. Pero el silicio tiende a excederse: un ánodo fabricado con este material absorbe tanto litio durante la carga que aumentan hasta cuatro veces su volumen previo. Al descargarse, vuelven a su tamaño original, y se necesitan sólo pocos ciclos de carga para pulverizar al material quebradizo.La nano-estructura le brinda al silicio flexibilidad para aliviar la tensión, permitiéndole recargarse sin que deteriore tan rápidamente. Cui lo demostró en enero, exhibiendo ánodos de nano-cableado de silicio que se estiraban durante la carga para aliviar parte de la tensión. Sin embargo, estos resultados mostraron un trabajo en proceso: las baterías que habían incorporado electrodos de nano-cable aun perdían más de la mitad de su capacidad de almacenamiento después de sólo unos pocos ciclos de cargas rápidas.En contraste a esto, según un trabajo de su grupo publicado en noviembre en la publicación alemana Angewandte Chemie, el silicio nano-poroso nuevo de Cho, parece durar mucho más aún con cargas rápidas. Los electrodos nano-porosos aún retuvieron una carga mayor a 2.400 horas-milliamp. por gramo, más de seis veces la de los ánodos de grafito que se utilizan actualmente en las baterías de litio, después de 100 ciclos de cargas rápidas. Cho comenta: “Eso es lo suficientemente bueno para venderlo”.Los ánodos de silicio nano-porosos son cristales sólidos de silicio plagados de poros como el queso gruyere. Cho explica que ésta estructura soporta la tensión debido a que las paredes entre los poros son extremadamente delgadas, aproximadamente 40 nanómetros. Esto es menos que la mitad del espesor de los nano-cables de silicio de Cui.Cho cree que la optimización futura de la nano-estructura de silicio también mejorará la capacidad del litio por unidad de volumen, que ya es casi tres veces mejor que la del grafito. Cree también, que es posible apretar los poros hasta casi la mitad, esencialmente forzando la expulsión del aire dentro de ellos, sin sacrificar el rendimiento de carga del material. El resultado aumentaría la disponibilidad de silicio por unidad de volumen, y así también, optimizaría la carga por volumen a seis veces la del grafito.

El proceso para fabricar el material de silicio nano-poroso también marca una mejora por sobre los métodos previos de fabricación de ánodos de silicio, según Cho. Para crear los ánodos porosos, los investigadores coreanos mezclan nano-partículas de sílice con un gel viscoso de silicio recubierto por carbono (para evitar una reacción química entre el sílice y el silicio). Luego calientan la mezcla a 900ºC para fusionarlo y crear una masa sólida y luego, selectivamente, van perforando el sílice con ácido fluorhídrico para crear los poros. En contraste con la mayoría de los métodos de montaje de silicio, el proceso ocurre a presión atmosférica y por lo tanto ampliarlo a grandes volúmenes debe resultar más fácil. “Es un proceso mucho más económico para la producción en masa”, acota Cho.Él tiene la esperanza de vender la tecnología al fabricante de baterías de Corea, LG Chem, donde trabajó durante los últimos cuatro años y que puede haber ganado el contrato de las baterías de litio para el Chevy Volt de la GM (de próxima aparición). Pero podría enfrentarse a competidores. Cui dice que su laboratorio también ha mejorado espectacularmente su síntesis de nano-cables y diseño de baterías, y en septiembre, los científicos de GM presentaron resultados impresionantes en los ánodos de litio creados utilizando fibras de carbono recubiertas de silicio.Los observadores comentan que la pregunta real es si cualquiera de estos productos puede producirse al precio correcto. Un especialista de investigación en 3M que trabaja con material para baterías de litio, Marc Obrovac, se refiere a un diseño sofisticado de ánodo de silicio ya creado por Sanyo Electric que logra densidades energéticas mayores que las de Cho. “A pesar de este rendimiento superior, Sanyo aparentemente jamás comercializó su electrodo de silicio. El costo de fabricación podría haber sido la razón”, añade Obrovac.Cui señala otro factor que podría limitar el impacto de los ánodos de silicio: el rendimiento del cátodo. Si los nuevos materiales de los cátodos pudieran igualar la densidad energética de los ánodos de silicio, esto multiplicaría la capacidad de almacenamiento de las baterías completadas cuatro o cinco veces. Y Cui añade: “Actualmente estamos más limitados por el cátodo. Mejorar el ánodo tendrá un gran impacto, pero mejorar el cátodo puede resultar todavía más grande”.