Al contrario que muchos otros electrodos de gran capacidad desarrollados a lo largo de los últimos años, estos se pueden fabricar con el equipo que ya está instalado en las plantas que fabrican baterías.
La clave es un polímero aglutinante elástico y muy conductor que se puede usar para mantener unidos silicio, estaño y otros materiales que tienen la capacidad de almacenar mucha energía pero que habitualmente son inestables. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EE.UU.) han diseñado cuidadosamente este polímero aglutinante y lo han usado para fabricar un ánodo de silicio para una batería recargable de iones de litio con una capacidad de almacenamiento un 30 por ciento mayor que las que existen en el mercado actualmente. También es más estable a lo largo del tiempo que otros electrodos desarrollados hasta la fecha.
Cuando se carga una batería de iones de litio, uno de los electrodos, denominado ánodo, recoge los iones de litio. Cuanto más litio pueda guardar el ánodo, más energía podrá almacenar la batería. El silicio es uno de los materiales más prometedores para la fabricación de ánodos: es capaz de almacenar hasta 10 veces más litio que el grafito, que es lo que se usa para hacer los ánodos de las baterías de iones de litio disponibles en el mercado actualmente. “El grafito absorbe litio como una esponja, manteniendo la forma, pero el silicio se comporta más como un globo”, explica Gao Liu, investigador de la División de Tecnologías de Energías Medioambientales del laboratorio Berkeley.
Sin embargo, como los ánodos de silicio se expanden y encogen según se cargan y se descargan, con variaciones de hasta tres o cuatro veces de tamaño, la capacidad de la batería se acaba perdiendo a lo largo del tiempo. “Después de unos cuantos ciclos de carga y descarga, las partículas de silicio ya no están en contacto unas con otras”, lo que significa que el ánodo pierde su capacidad de conducir electricidad, según Liu.
Un enfoque para solucionar el problema es estructurar estos ánodos de forma completamente distinta, por ejemplo cultivando series de nanoalambres de silicio que pueden doblarse, expandirse y moverse según entra y sale el litio. Este método está siendo comercializado por Amprius, una start-up de Palo Alto, Califo ia (EE.UU.). Pero cultivar nanoalambres requiere de nuevos procesos que no se usan habitualmente en la fabricación de baterías.
Los ánodos actuales se fabrican pintando con una solución de partículas de grafito unidas por un aglutinante, un proceso sencillo que mantiene los costes bajos. Los investigadores de Berkeley creen que la clave para hacer que nuevos materiales para baterías como el silicio funcionen, es no cambiar este proceso de fabricación. Eso significa inventar un aglutinante gomoso que se pegue a las partículas de silicio sin perder la conductividad en el agresivo ento o del ánodo y que sea capaz de estirarse y contraerse según el ánodo va expandiéndose y encogiéndose.
nLa mayor parte del trabajo sobre baterías avanzadas se ha centrado en los materiales activos, pero “hemos llevado estos materiales al límite”, sostiene Yury Gogotsi, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales en la Universidad de Drexel (EE.UU.). “Ahora lo que nos limita son los aglutinantes”.
Al leer los artículos existentes sobre aglutinantes de silicio para baterías, Liu se dio cuenta de que los investigadores estaban cometiendo “graves errores” -al escoger polímeros que pierden su conductividad en el tipo de condiciones que se dan en un ánodo, por ejemplo. Liu trabajó con químicos teóricos para elaborar una lista de polímeros con las propiedades eléctricas adecuadas para el trabajo. Cuando encontraron uno, lo alteraron para hacerlo mucho más pegajoso. Una vez que desarrollaron y caracterizaron a este nuevo material, pudieron fabricar ánodos de silicio usando procesos convencionales y probarlos en baterías.
Los ánodos del grupo de Berkeley se han probado en más de 650 ciclos de carga. Mantienen la capacidad de almacenamiento de 1.400 miliamperios-hora por gramo -mucho más que los aproximadamente 300 que almacenan los ánodos convencionales. Baterías completas equipadas con estos ánodos almacenan aproximadamente un 30 por ciento más de energía total que una batería de iones de litio comercial. Normalmente, la capacidad de las baterías aumenta un 5 por ciento al año, señala Liu. Comenta que han probado el aglutinante en otros ánodos de batería, incluyendo los que están hechos con estaño, que tienen un potencial y unos problemas parecidos a los de silicio y afirma que debería funcionar para cualquiera de esos materiales.
La capacidad de almacenamiento de estas baterías es casi tan buena como las fabricadas con nanoalambres de silicio sin aglutinantes, sostiene Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales en la Universidad de Stanford (EE.UU.) y uno de los fundadores de Amprius. Eso es algo impresionante, comenta, teniendo en cuenta que el aglutinante no almacena litio.
Ahora el grupo de Liu colabora con investigadores de 3M para la investigación del ánodo. 3M está escalando la producción de materiales para baterías con base de silicio diseñados para que no se expandan tanto durante la carga, afirma Kevin Eberman, que está desarrollando productos para materiales de batería en 3M Electronics en St. Paul, Minnesota (EE.UU.). Pero para que funcionen, un buen aglutinante es clave. La empresa está proporcionando al grupo de Berkeley materiales para que hagan pruebas. Liu afirma que el grupo de Berkeley ha patentado los aglutinantes y están en conversaciones con varias empresas sobre las posibilidades de comercialización.