Batería de litio-silicio

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Esquema de una batería de iones de litio con litio y silicio como materiales de electrodo. Arriba a la izquierda: estado sin carga. Arriba a la derecha: proceso de carga, se da una semirreacción de desintercalación. Abajo a la izquierda: estado cargado con iones de litio aleados en silicio, se da una semirreacción de aleación. Abajo a la derecha: proceso de descarga.

Las baterías de litio-silicio son baterías de iones de litio que emplean un ánodo de silicio e iones de litio como portadores de carga.[1]​ Los materiales basados en el silicio suelen tener una capacidad específica mucho mayor, por ejemplo 3.600 mAh/g para el silicio prístino,[2]​ en comparación con el material estándar del ánodo, el grafito, que está limitado a una capacidad teórica máxima de 372 mAh/g para el estado completamente litiado LiC6. [3]​

El gran cambio de volumen del silicio (aproximadamente un 400% según las densidades cristalográficas) cuando se inserta litio, junto con su alta reactividad en estado cargado, son obstáculos para comercializar este tipo de ánodos.[4]​ Los ánodos de las baterías comerciales pueden tener pequeñas cantidades de silicio, lo que aumenta ligeramente su rendimiento. Las cantidades son secretos comerciales muy bien guardados, limitados a partir de 2018 a un máximo del 10% del ánodo. Las baterías de litio-silicio también incluyen configuraciones de celdas en las que el silicio se encuentra en compuestos que pueden almacenar litio a bajo voltaje mediante una reacción de desplazamiento, como el oxicarburo de silicio, el monóxido de silicio o el nitruro de silicio.[5]​

Historia[editar]

Los ánodos compuestos de silicio y carbono fueron descritos por primera vez en 2002 por Yoshio. [6]​[7]​

Los estudios de estos materiales compuestos han demostrado que las capacidades son una media ponderada de los dos miembros finales (grafito y silicio). Durante los ciclos, las partículas de silicio tienden a aislarse electrónicamente y la capacidad cae hasta alcanzar la capacidad del componente de grafito.

Este efecto se ha atenuado utilizando metodologías sintéticas alternativas o morfologías que pueden crearse para ayudar a mantener el contacto con el colector de corriente.

Esto se ha observado en estudios en los que se han cultivado nanocables de silicio unidos químicamente al colector de corriente metálico mediante la formación de una aleación.

En 2014, Amprius fabricó muestras de baterías con un electrodo compuesto de nanocables de silicio y grafito. [8]​

La misma empresa afirma haber vendido varios cientos de miles de estas baterías a partir de 2014. [9]​

En 2016, investigadores de la Universidad de Stanford presentaron un método para encapsular micropartículas de silicio en una envoltura de grafeno, que confina las partículas fracturadas y también actúa como una capa de interfase de electrolito sólido estable.

Estas micropartículas alcanzaron una densidad energética de 3.300 mAh/g.[10]​

En 2015, el director ejecutivo de Tesla, Elon Musk, afirmó que el silicio de las baterías del Model S aumentaba la autonomía del coche en un 6%. [11]​

En 2018, los productos de las startups Sila Nanotechnologies, Global Graphene Group, Enovix, Enevate y Group14 Technologies, entre otras, estaban siendo probados por fabricantes de baterías, empresas automovilísticas y de electrónica de consumo. Entre los clientes de Sila figuran BMW y Amperex Technology, proveedor de baterías de empresas como Apple y Samsung. BMW anunció sus planes de incorporar la tecnología de Sila para 2023 y aumentar la capacidad de las baterías entre un 10 y un 15%.[12]​[13]​[14]​ A partir de 2021, Enovix fue la primera empresa en enviar baterías de ánodo de silicio acabadas a clientes finales.[15]​

Group14 Technologies ha patentado un compuesto de silicio y carbono SCC55, que permite un 50% más de densidad de energía volumétrica totalmente litiada que el grafito utilizado en los ánodos de baterías de iones de litio convencionales. El SCC55 ha sido probado y validado por los fabricantes de baterías Farasis y StoreDot, el último de los cuales descubrió que SCC55 podía cargarse al 80 % de su capacidad en 10 minutos. [16]​ Los inversores y clientes de Group14 incluyen Porsche AG, Amperex Technology Limited, Showa Denko y SK materials. [14]​ [17]​ [16]​

En mayo de 2022, Porsche AG lideró la ronda Serie C de 400 millones de dólares de Group14 y anunció planes para producir células de batería de litio-silicio con la tecnología de Group14 en Alemania en 2024 para ayudar a alimentar sus nuevos vehículos eléctricos.  [18]​Group14 planea utilizar la financiación de Porsche para acelerar el desarrollo de su segunda fábrica en EE.UU. para suministrar un mínimo de 600.000 vehículos eléctricos al año. [19]​

En enero de 2024, Group14 anunció que, gracias a su asociación con Amperex Technology Limitied, tenían más de un millón de teléfonos inteligentes en China (Honor) utilizando su tecnología.[20]​El 22 de septiembre de 2020, Tesla reveló sus planes para aumentar gradualmente las cantidades de silicio en sus futuras baterías, centrándose en los ánodos. El planteamiento de Tesla consiste en encapsular las partículas de silicio con un revestimiento elástico permeable a los iones. De este modo, se da cabida al problema de la hinchazón del silicio, lo que permite lograr el aumento deseado de la capacidad de la batería. Se espera que este cambio no afecte a la vida útil total de la batería. La razón del aumento gradual (en lugar de repentino) del uso de silicio es permitir la realización de pruebas y la confirmación de los cambios graduales.[21]​[22]​

En septiembre de 2021, Sila anunció que había empezado a distribuir su primer producto y que éste se había incorporado a Whoop 4.0.[23]​

Capacidad específica[editar]

Un ánodo de silicio cristalino tiene una capacidad específica teórica de 3600 mAh/g, aproximadamente diez veces superior a la de los ánodos de grafito utilizados habitualmente (limitada a 372 mAh/g). Cada átomo de silicio puede unir hasta 3,75 átomos de litio en su estado totalmente litiado (Li3,75Si), frente a un átomo de litio por cada 6 átomos de carbono en el grafito totalmente litiado (LiC6).[24]​ [25]​

Cambio específico de capacidad y volumen para algunos materiales anódicos (dados en su estado litiado). [4]​ [26]​ [27]​
material del ánodo Capacidad específica (mAh/g) cambio de volumen
Li 3862[3]​ -
LiC
6 		372 [3]​ 10%
Li
13Sn
5 		990 252%
Li
9Al
4 		2235 604%
Li
15Si
4 		3600 320%

Ver también[editar]

Referencias[editar]

  1. ↑ Nazri, Gholam-Abbas; Pistoia, Gianfranco, eds. (2004). Lithium Batteries - Science and Technology. Kluwer Academic Publishers. p. 259. ISBN 978-1-4020-7628-2. 
  2. ↑ Zuo, Xiuxia; Zhu, Jin; Muller-Buschbaum, Peter; Cheng, Ya Chin (2017). «Silicon based lithium-ion battery anodes: A chronicle perspective review». Nano Energy 31 (1): 113-143. doi:10.1016/j.nanoen.2016.11.013. 
  3. ↑ a b c Shao, Gaofeng; Hanaor, Dorian A. H.; Wang, Jun; Kober, Delf; Li, Shuang; Wang, Xifan; Shen, Xiaodong; Bekheet, Maged F. et al. (2020). «Polymer-Derived SiOC Integrated with a Graphene Aerogel as a Highly Stable Li-Ion Battery Anode». ACS Applied Materials & Interfaces 12 (41): 46045-46056. PMID 32970402. arXiv:2104.06759. doi:10.1021/acsami.0c12376. 
  4. ↑ a b Mukhopadhyay, Amartya; Sheldon, Brian W. (2014). «Deformation and stress in electrode materials for Li-ion batteries». Progress in Materials Science 63: 58-116. doi:10.1016/j.pmatsci.2014.02.001. 
  5. ↑ Suzuki, Naoki; Cervera, Rinlee Butch; Ohnishi, Tsuyoshi; Takada, Kazunori (2013). «Silicon nitride thin film electrode for lithium-ion batteries». Journal of Power Sources 231: 186-189. doi:10.1016/j.jpowsour.2012.12.097. 
  6. ↑ Lai, S (1976). «Solid Lithium Silicon Electrodes». Journal of the Electrochemical Society 123 (8): 1196-1197. Bibcode:1976JElS..123.1196L. doi:10.1149/1.2133033. 
  7. ↑ Yoshio, Masaki; Wang, Hongyu; Fukudu, Kenji; Umeno, Tatsuo; Dimov, Nickolay; Ogumi, Zempachi (2002). «Carbon-Coated Silicon as a Lithium-Ion Battery Anode Materials». Journal of the Electrochemical Society 149 (12): A1598. Bibcode:2002JElS..149A1598Y. ISSN 0013-4651. doi:10.1149/1.1518988. 
  8. ↑ St. John, Jeff (6 de enero de 2014). «Amprius Gets $30M Boost for Silicon-Based Lithium-Ion Batteries». Greentechmedia. Consultado el 21 de julio de 2015. 
  9. ↑ Bullis, Kevin (10 de enero de 2014). «Startup Gets $30 Million to Bring High-Energy Silicon Batteries to Market». MIT Technology Review. 
  10. ↑ Li, Yuzhang; Yan, Kai; Lee, Hyun-Wook; Lu, Zhenda; Liu, Nian; Cui, Yi (2016). «Growth of conformal graphene cages on micrometre-sized silicon particles as stable battery anodes». Nature Energy 1 (2): 15029. Bibcode:2016NatEn...115029L. ISSN 2058-7546. S2CID 256713197. doi:10.1038/nenergy.2015.29. 
  11. ↑ Rathi, Akshat (10 de marzo de 2021). «How we get to the next big battery breakthrough». Quartz. Consultado el 18 de agosto de 2019. 
  12. ↑ Wesoff, Eric (17 de abril de 2019). «Daimler Leads $170M Investment in Sila Nano's Next-Generation Battery Tech». Green Tech Media. Consultado el 18 de agosto de 2019. 
  13. ↑ Root, Al (19 de octubre de 2020). «Another Way Tesla Can Reduce Battery Costs». 
  14. ↑ a b Casey, Tina (21 de diciembre de 2020). «US Energy Dept. Hearts New Silicon EV Batteries». 
  15. ↑ «How The Next Batteries Will Change the World». Bloomberg. 10 de marzo de 2021. Consultado el 10 de marzo de 2021. 
  16. ↑ a b Lienert, Paul (4 de mayo de 2022). «Porsche leads $400 million investment in EV battery startup Group14». Reuters (en inglés). Consultado el 16 de junio de 2022. 
  17. ↑ «SCC55 - Group14 Technologies, Inc. Trademark Registration». USPTO.report. 
  18. ↑ Gardner, Greg. «Group14 Technologies Raises $400 From Porsche-Led Investor Group». Forbes (en inglés). Consultado el 16 de junio de 2022. 
  19. ↑ «Electric vehicles: The 'entire industry' is transitioning to silicon batteries, Group14 CEO says». finance.yahoo.com (en inglés estadounidense). Consultado el 16 de junio de 2022. 
  20. ↑ Bloomberg. «ATL bets on silicon anodes for smartphone batteries.». www.bloomberg.com/. 
  21. ↑ Tesla Inc. «2020 Annual Meeting of Stockholders». 
  22. ↑ Fox, Eva. «Tesla Silicon Anode for 4680 Battery Cell: What's the Secret?». 
  23. ↑ Bellan, Rebecca (September 8, 2021). «Sila Nanotechnologies' battery technology will launch in Whoop wearables». TechCrunch (en inglés estadounidense). Consultado el 9 de septiembre de 2021. 
  24. ↑ Tarascon, J.M.; Armand, M. (2001). «Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries». Nature 414 (6861): 359-67. Bibcode:2001Natur.414..359T. PMID 11713543. doi:10.1038/35104644. 
  25. ↑ Galvez-Aranda, Diego E.; Ponce, C. (2017). «Molecular dynamics simulations of the first charge of a Li-ion—Si-anode nanobattery». J Mol Model 23 (120): 120. PMID 28303437. doi:10.1007/s00894-017-3283-2. 
  26. ↑ Besenhard, J.; Daniel, eds. (2011). Handbook of Battery Materials. Wiley-VCH. 
  27. ↑ Nazri, Gholam-Abbas; Pistoia, eds. (2004). Lithium Batteries - Science and Technology. Kluwer Academic Publishers. p. 117. ISBN 978-1-4020-7628-2. 

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