Compuestos de nanoespuma Si-Ni para baterías recargables de iones de litio

Debido a su composición nanoporosa, área superficial alta, porosidad, matriz conductora tridimensional (3D) y notable flexibilidad, los metales nanoporosos han atraído un gran interés en las aplicaciones de almacenamiento de baterías. Un artículo reciente publicado en la revista Materiales de energía aplicada ACS describe un enfoque simple para fabricar compuestos de nanoespuma de Si-Ni para un electrodo de Si altamente cargado en baterías recargables de iones de litio (Li).

Baterías de iones de litio: el futuro de las aplicaciones de almacenamiento de energía

La energía renovable se ha convertido en un esfuerzo necesario para reducir la dependencia mundial de los combustibles fósiles, que son contaminantes y finitos. Debido a que muchas fuentes de energía renovable son de naturaleza intermitente, el almacenamiento de energía debe integrarse en cualquier sistema de recuperación de energía.

Las baterías de iones de litio (LIB) son el sistema de almacenamiento de energía de más rápido desarrollo en comparación con todos los demás sistemas. El aumento de su capacidad de almacenamiento de energía es un tema de investigación importante para su inclusión en muchas aplicaciones modernas, y la dependencia casi exclusiva de los LIB en materiales de ánodo grafítico es una limitación limitante.

Si bien los ánodos a base de silicio ofrecen una capacidad de energía hasta 11 veces mayor que los materiales de ánodo a base de grafito, aún no se han adoptado ampliamente para aplicaciones prácticas de baterías de iones de litio.

Desventajas de los ánodos de silicio puro

El silicio tiene un factor de capacidad significativo, lo que lo convierte en un material candidato potencial para superar los límites superiores de densidad de energía (LIB) de las baterías de iones de litio. Sin embargo, los ánodos de Si puro tienen desventajas como baja conductividad, cambios estructurales severos y ruptura rápida.

Los ánodos basados ​​en silicio también están sujetos a una degradación electrocatalítica insatisfactoria ya que el silicio se expande un 400 % durante el ciclo de carga/descarga. Esto conduce a un rendimiento culómbico inicial y una estabilidad cíclica deficientes, lo que limita su uso práctico en LIB.

Metales nanoporosos: ventajas para aplicaciones de baterías de iones de litio

Los materiales de electrodos con arquitecturas nanoporosas han recibido mucha atención y éxito en las baterías de iones de litio. En comparación con los electrodos estándar, a menudo exhiben una actividad electrocatalítica superior, principalmente debido a su estructura a nanoescala altamente porosa, que permite una reducción en la longitud de la ruta de iones de litio entre los electrolitos y el electrodo.

Debido a sus características metálicas (alta conductividad y naturaleza altamente dúctil) y propiedades de nanopartículas (permeabilidad y área de superficie alta), los metales nanoporosos pueden aliviar de manera efectiva varias dificultades causadas por la expansión del volumen de Si durante el ciclo.

Estudios previos y sus limitaciones

La investigación anterior se ha centrado en el uso de carbono y aluminio como elementos de control para el fresado mecánico de compuestos de ánodo enlazado Si/Ni-Sn, lo que reduce la degradación de la capacitancia intrínseca del Si debido a la expansión del volumen durante el ciclo. Sin embargo, estos enfoques son complejos y costosos, lo que dificulta acelerar el desarrollo de LIB para uso a gran escala.

Anteriormente, se fabricó un ánodo de Si-Ni similar a una granada utilizando un proceso de cocción simple de un solo paso. Sin embargo, durante la combustión, el robusto mecanismo de reacción produjo una distribución desigual de Si y Ni, lo que resultó en una pobre eficiencia del ciclo.

Un método novedoso para sintetizar compuestos de nanoespuma de Si-Ni

Para fabricar compuestos de nanoespuma de Si-Ni, los investigadores de este estudio utilizaron un proceso uniforme de calcinación al vacío. Las partículas de Si se pueden dispersar uniformemente en la estructura de nanoespuma de Ni. Cuando se utiliza como ánodo para LIB, los materiales compuestos utilizan completamente la estructura de nanoespuma de Ni, que ofrece una arquitectura bien estabilizada y admite de manera eficiente el cambio de volumen del material de Si.

La microscopía electrónica de barrido de emisión de campo examinó la geometría y la composición de los materiales. Se utilizaron difracción de rayos X y espectrometría de dispersión de energía para determinar la estructura cristalina y la composición química. Las medidas eléctricas y químicas se realizaron en un analizador de baterías multicapa y en un banco electroquímico a temperatura ambiente.

Conclusiones clave del estudio

Las nanoespumas de Ni con una topología de red conectada en 3D pueden transferir rápidamente electrones a materiales activos y adaptarse a las variaciones de volumen. Una nanoespuma de Ni conductora como estructura de electrodos compuestos puede funcionar de manera similar a las mallas metálicas en bloques de hormigón y puede proteger eficazmente la integridad de la estructura del electrodo después de repetidas cargas y descargas.

Después de 100 ciclos, los compuestos de nanoespuma de Si-Ni tienen una alta capacitancia a una densidad de corriente de 500 mA g^-1. Este rendimiento de ciclo mejorado sugiere que los compuestos nanoporosos tienen un enorme potencial para su uso en aplicaciones de ánodo de Si y se pueden aplicar en otras industrias de almacenamiento y generación de energía.

fuente

Zhu, H. y otros. (2022). Compuestos de nanoespuma de Si-Ni con una estructura nanoporosa 3D como un ánodo de batería de iones de litio de alta carga. Materiales de energía aplicada ACS. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.2c00893

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