El siliceno, un material que aventaja en propiedades al grafeno

El grafeno permite baterías para teléfonos móviles con una densidad energética antes imposible; lo que no ha conseguido, sin embargo, es competir con el motor de explosión, y menos ahora en 2015 con un barril de petróleo a 50 dólares. Por su parte, según nos cuenta el periodista científico Pascual Bolufer, miembro de la AECC (Asociación Española de Comunicación Científica), el siliceno es un alótropo bidimensional del silicio de estructura exagonal que aventaja en propiedades al grafeno, ya que permite crear ánodos porosos de mayor capacidad. Crear en el laboratorio el siliceno es difícil, y para la industria mucho más. 

La batería de nanocarbono y nanosilicio fue presentada en el International Forum on Graphene, presidido por Sir Andre Geim, de la Universidad de Manchester, Premio Nobel de Física en 2010 por sus trabajos sobre el grafeno. El nuevo ánodo ha sido desarrollado por Argonne National Laboratory, con una densidad energética de 525Wh/kg y una capacidad de corriente del ánodo de 1.250 mA/g. La densidad energética de una batería de litio convencional es de 140-160 Wh/kg, lo que supone multiplicar por 3,28 la densidad energética de la batería convencional de ión-litio y por cuatro la capacidad del ánodo. 

La vida de la batería alcanza los 5.000 ciclos de descarga. Durante la descarga el ánodo libera iones positivos de litio, que migran por el electrolito hacia el cátodo y se insertan en él. Por cada ión liberado por el ánodo surge un electrón hacia el circuito exterior. Para cargar la batería hay que invertir el sentido de la corriente. La cantidad de energía almacenada es proporcional a la diferencia de potencial entre los electrodos,3.6 V.

Recordemos que el nanosilicio tiene una capacidad de absorción de átomos de litio que supera en diez veces al ánodo convencional. El último desarrollo ha ocurrido en 2014: el 8 de junio pasado la Universidad de California, en Riverside, publicó la investigación de Zachary Favors sobre el silicio que llaman 3D, tridimensional. En Cedar Creek, Tejas, abunda la arena de cuarzo, SiO2. La arena ha sido molida por Z. Favors hasta escala nanométrica como paso previo para lograr silicio puro; mezclándola con magnesio, se calienta a alta temperatura, el magnesio capta el oxígeno del SiO2 y se obtiene nanosilicio puro poroso, una esponja de Si.

El silicio en el ánodo de la batería ofrece una gran superficie que permite a los iones de litio aumentar su velocidad de desplazamiento. Para aumentar la eficiencia el silicio éste está impregnado de nanocarbono.

Z. Favors ha logrado con ese silicio fabricar una pila del tamaño de una moneda, con lo que ha podido comprobar que el ánodo de nanosilicio triplica la eficiencia y vida útil de la bateria ión litio. Ahora Calbattery, en unión con Caleb, fabrican esa pila para teléfonos móviles. Ese mismo ánodo será empleado para la batería LinPoly, de Caleb Technologies, que contiene polímero en el electrolito de ión litio.

En opinión de Bolufer, conviene recordar que la Ley de Peukert relaciona la eficiencia de la batería en función de la descarga y de la temperatura. Una batería de litio-ión de 200 A/h entregará menos energía que la que recibió en la carga, entre otras razones, porque el voltaje durante la carga es más elevado que durante la descarga, pero con litio-ión la diferencia es muy pequeña (99% de rendimiento). En la batería de níquel-cadmio el rendimiento es de solo el 66%. El voltaje del litio-ión depende solo de la química, y no de si está cargada o vacía. No obstante, su resistencia interna aumenta a medida que la batería se agota: disminuye su voltaje y sus posibilidades de entregar amperios.

Más información en nuestro próximo número de la Revista PQ (PQ Nº 1.221).