Innovador electrodo de batería fabricado con espuma de estaño

Los electrodos a base de metal en las baterías de iones de litio prometen capacidades significativamente mayores que los electrodos de grafito convencionales. Desafortunadamente, se degradan debido al estrés mecánico durante los ciclos de carga y descarga. Ahora, un equipo del HZB ha demostrado que una espuma altamente porosa hecha de estaño puede absorber mucho mejor la tensión mecánica durante los ciclos de carga. Esto hace que las espumas de estaño sean interesantes como material potencial para las baterías de litio.

Las baterías modernas de iones de litio suelen utilizar un electrodo de grafito multicapa, mientras que el contraelectrodo suele estar hecho de óxido de cobalto. Durante la carga y descarga, los iones de litio migran al grafito sin provocar cambios de volumen significativos en el material. Sin embargo, la capacidad del grafito es limitada, lo que hace que la búsqueda de materiales alternativos sea un área de investigación apasionante. Los electrodos a base de metal, como los de aluminio o estaño, ofrecen potencialmente una mayor capacidad. Sin embargo, cuando se absorbe el litio, tiende a expandirse significativamente en volumen, lo que se asocia con cambios estructurales y fatiga del material.

Una opción para crear electrodos metálicos que se fatiguen menos rápidamente es la nanoestructuración de las delgadas láminas metálicas. Otra opción es el uso de espumas metálicas porosas. Como metal, el estaño es particularmente atractivo porque tiene una capacidad por kilogramo casi tres veces mayor que el grafito y no es una materia prima escasa, sino que está disponible en abundancia.

Un equipo de investigación del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ha investigado diferentes tipos de electrodos de estaño durante el proceso de descarga y carga utilizando imágenes de rayos X operando y ha desarrollado un enfoque innovador para abordar este problema. Parte de estas investigaciones se llevaron a cabo en la BAMline de BESSY II. Además, se tomaron imágenes de rayos X radioscópicos de alta resolución en colaboración con los expertos en imágenes, el Dr. Nikolai Kardjilov y el Dr. André Hilger en el HZB. “De esta manera, pudimos rastrear los cambios estructurales en los electrodos a base de metal Sn estudiados durante los procesos de carga/descarga”, dice el Dr. Bouchra Bouabadi, quien realizó el estudio experimental. En colaboración con el experto en baterías, el Dr. Sebastian Risse muestra cómo cambia la morfología de los electrodos de estaño durante el funcionamiento debido a la absorción no homogénea de iones de litio.

La mejor versión del electrodo de estaño fue realizada por el Dr. Francisco García-Moreno: Una espuma de estaño con innumerables poros de tamaño micrométrico. "Hemos podido demostrar que en este tipo de espuma de estaño se produce una tensión mecánica significativamente menor durante la expansión del volumen", afirma el Dr. grietas. Esto hace que las espumas de estaño sean interesantes como material potencial para las baterías de litio.

García-Moreno ya ha investigado numerosas espumas metálicas, incluidas las destinadas a componentes de la industria del automóvil y las espumas de aluminio para electrodos de baterías. “Las espumas de estaño que desarrollamos en la TU Berlín son muy porosas y una alternativa interesante a los materiales de electrodos tradicionales”, afirma. La estructuración de las espumas de estaño es crucial para maximizar la reducción del estrés mecánico. La tecnología de espuma de estaño también podría ser interesante desde un punto de vista económico: "Aunque la espuma de estaño es más cara que la lámina de estaño convencional, ofrece una alternativa más rentable a la costosa nanoestructuración, al mismo tiempo que puede almacenar significativamente más iones de litio, lo que permite un aumento de la capacidad".