Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech) y de la Universidad Clemson (Estados Unidos) creen que pueden haber encontrado el ingrediente que hará que los ánodos de silicio funcionen: un aglutinante y conservante de la comida derivado de las algas cuyo uso es bastante frecuente en numerosos productos domésticos. Dicen que este material no solo serviría para fabricar baterías de iones de litio más eficaces, sino también más ecológicas y más baratas.
Las baterías de iones de litio almacenan energía mediante la acumulación de iones en el ánodo. Durante el uso esos iones migran, vía electrolito, al cátodo. Los ánodos se suelen fabricar mezclando un polvo de grafito electroactivo con un polímero aglutinante (habitualmente polifluoruro de vinilideno, PVDF en sus siglas en inglés), disuelto en un disolvente denominado NMP. La mezcla resultante se extiende sobre la lámina metálica que se usa para recolectar la corriente eléctrica y se seca.
Si se usan partículas de silicio como base para el polvo electroactivo, el ánodo de la batería puede almacenar más iones. Pero las partículas de silicio se hinchan según se va cargando la batería, pudiendo cuadruplicar su tamaño original. Este aumento de tamaño provoca grietas en el aglutinante, el PVDF, estropeando el ánodo. En una investigación publicada el jueves pasado por Science, los científicos de Georgia Tech y Clemson demuestran que cuando se usa alginato en vez de PVDF, el ánodo puede hincharse y el aglutinante no se agrieta. Esto ha permitido a los investigadores crear un ánodo de silicio estable que, hasta ahora, ha demostrado tener ocho veces más capacidad que los mejores ánodos basados en el grafito.
El polímero alginato está hecho con algas pardas, incluyendo la variedad que forma bosques de algas laminariales gigantes. Ya se usa ampliamente como agente gelificante y conservante de la comida. En un principio, los investigadores pensaron sustituir el PVDF por una combinación de varios materiales distintos. Después, basándose en la teoría, se dieron cuenta de que un polímero con la cantidad justa de estructura uniforme podría hacer todo lo que se supone que debía hacer el aglutinante, incluyendo proporcionar buen un soporte estructural al tiempo sin reaccionar químicamente con el electrolito.
Gleb Yushin, uno de los investigadores y director del Centro de Materiales Nanoestructurados para Almacenamiento de Energía de Georgia Tech, afirma que el equipo se dio cuenta de que algunos polímeros sintéticos, derivados de la celulosa de las plantas tienen estructuras parecidas a lo que necesitaban pero no eran lo suficientemente uniformes. Así que el equipo empezó a analizar las plantas acuáticas. Según Yushin: “Pensamos que quizá ya existía un polímero [que pudiéramos utilizar], porque las plantas acuáticas, -especialmente las que viven en el mar- están inmersas en un electrolito” y por lo tanto habrían evolucionado para impedir reacciones no deseadas. Se cruzaron con el alginato, que se puede extraer hirviendo laminariales en agua carbonatada y que tiene la estructura uniforme que requerían.
Otra ventaja del alginato respecto al PVDF es que, durante la fabricación de los ánodos, el alginato se puede disolver en agua, eliminando la necesidad de usar el NMP, lo que potencialmente supone un proceso de fabricación más ecológico. Los investigadores creen que el aglutinante se podría integrar en los sistemas de fabricación de ánodos actuales simplemente sustituyendo el PVDF y el NMP por alginato y agua. El alginato también se podría utilizar para mejorar el rendimiento de los ánodos basados en el grafito, permitiendo más ciclos de carga y descarga a lo largo de la vida de la batería.
El potencial de un ánodo de silicio no se puede explotar plenamente hasta que los investigadores desarrollen un cátodo equivalente capaz de manejar la misma cantidad de iones de litio. Pero incluso con los cátodos que existen en la actualidad, los ánodos de alginato-silicio podrían aumentar la capacidad de las baterías de iones de litio entre un 30 y un 40 por ciento, según Yushin.