Investigadores de HZB han descubierto que la espuma de estaño altamente porosa puede aliviar la tensión mecánica en las baterías de iones de litio, lo que las convierte en una alternativa prometedora a los electrodos de grafito tradicionales. Los electrodos metálicos de las baterías de iones de litio tienen mayores capacidades que los electrodos de grafito tradicionales. Sin embargo, tienden a degradarse debido al estrés mecánico durante los ciclos de carga y descarga.
Los investigadores de HZB demostraron que la espuma de estaño altamente porosa puede absorber mejor esta tensión, mejorando así la estabilidad del electrodo. Este descubrimiento convierte a la espuma de estaño en un material prometedor para las baterías de iones de litio.
Las baterías de iones de litio tradicionales suelen utilizar electrodos de grafito multicapa y contraelectrodos de óxido de cobalto. Durante los ciclos de carga y descarga, los iones de litio migran al grafito con cambios de volumen mínimos, manteniendo así la integridad estructural. Sin embargo, el grafito tiene una capacidad limitada, lo que lleva a la búsqueda de materiales alternativos con mayor potencial de almacenamiento de energía.
Los electrodos a base de metales, como el aluminio o el estaño, tienen el potencial de proporcionar mayores capacidades. Sin embargo, al absorber litio, tienden a expandirse significativamente en volumen, lo que se asocia con cambios estructurales y fatiga del material. El estaño es particularmente atractivo porque tiene casi tres veces la capacidad por kilogramo de grafito y porque no es una materia prima rara pero está disponible en grandes cantidades. Una forma de lograr electrodos metálicos menos "fatigados" es nanoestructurar láminas metálicas delgadas. Otro método consiste en utilizar espuma metálica porosa.
Un equipo de investigación del Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) utilizó imágenes operativas de rayos X para estudiar varios tipos de electrodos de estaño durante los procesos de descarga y carga y desarrolló un método innovador para resolver este problema. Algunos experimentos se realizaron en BAMline de BESSYII. Las imágenes de rayos X de alta resolución se tomaron en colaboración con los expertos en imágenes de HZB, el Dr. Nikolai Kardjilov y el Dr. André Hilger.
"Esto nos permitió rastrear los cambios estructurales del electrodo a base de estaño estudiado durante el proceso de carga/descarga", dijo el Dr. Bouchra Bouabadi, primer autor del estudio. Junto con el experto en baterías, el Dr. Sebastian Risse, exploró los cambios morfológicos del electrodo de estaño durante el funcionamiento debido a la absorción desigual de los iones de litio.
El Dr. Francisco García-Moreno creó la mejor versión de un electrodo de estaño: una espuma de estaño con innumerables poros del tamaño de una micra. "Pudimos demostrar que la tensión mecánica durante la expansión del volumen de esta espuma de estaño se reduce significativamente", dijo el Dr. Risse. "Esto hace que la espuma de estaño sea un material interesante para las baterías de litio".
García-Moreno ha trabajado con varias espumas metálicas, incluidas las utilizadas en piezas para la industria automotriz y la espuma de aluminio utilizada en electrodos de baterías. Dijo: "La espuma de estaño que desarrollamos en TU Berlin es muy porosa y es una alternativa ideal a los materiales de electrodos convencionales. La estructura de la espuma de estaño es crucial para minimizar el estrés mecánico. La tecnología de la espuma de estaño también es atractiva desde un punto de vista económico: aunque la espuma de estaño es más cara que el papel de aluminio convencional, ofrece una alternativa más barata a las costosas nanoestructuras y al mismo tiempo puede almacenar más iones de litio, aumentando así la capacidad.
Compilado de /ScitechDaily