Residuos fotovoltaicos, baterías de litio con mayor duración

Investigadores del Instituto de Bioenergía y Bioprocesos de Qingdao (QIBEBT) de la Academia China de Ciencias han desarrollado ánodos de silicio de tamaño micrométrico de bajo costo a partir de residuos fotovoltaicos reciclados utilizando un nuevo diseño de electrolito.

Su trabajo pionero, publicado en Nature Sustainability el 16 de julio, ofrece un camino hacia baterías más sostenibles, de bajo costo y de alta densidad energética que podrían transformar los sistemas de almacenamiento de energía para vehículos eléctricos y aplicaciones de energía renovable.

Los ánodos de silicio son favorecidos por su capacidad de aumentar sustancialmente la densidad energética de las baterías de iones de litio en comparación con los ánodos de grafito tradicionales, pero se ven obstaculizados por una expansión de volumen significativa durante los ciclos de carga y descarga. Esta expansión puede provocar fracturas mecánicas y degradar el rendimiento de la batería.

Para superar estos desafíos, los investigadores, liderados por el Prof. CUI Guanglei, fueron pioneros en el uso de partículas de silicio de tamaño micrométrico (μm-Si) derivadas de residuos fotovoltaicos como una alternativa viable.

Cuando se integran con un electrolito de éter especialmente diseñado, estos ánodos de μm-Si presentan una notable estabilidad electroquímica, manteniendo una eficiencia coulombica promedio del 99.94% y reteniendo el 83.13% de su capacidad inicial después de 200 ciclos.

“Este trabajo no solo sugiere una fuente de suministro más sostenible para las partículas de silicio, sino que también aborda los principales desafíos que enfrentan los materiales de ánodo de silicio de tamaño micrométrico”, dijo el Dr. LIU Tao, primer autor del estudio.

El secreto del éxito de los ánodos radica en su química única de interfase sólido-electrolito (SEI), resultado de la innovadora composición del electrolito del equipo de 3 M LiPF6 disuelto en una proporción de volumen 1:3 de 1,3-dioxano y 1,2-dietil éter. Esta formulación fomenta el desarrollo de un SEI de doble capa que es flexible pero robusto, manteniendo unidas las partículas de silicio fracturadas al tiempo que mejora la conducción iónica y minimiza las reacciones secundarias.

Las celdas de bolsa NCM811||μm-Si con la nueva combinación de ánodo y electrolito sobrevivieron 80 ciclos y entregaron una impresionante densidad energética de 340.7 Wh kg^-1 en condiciones severas. Este rendimiento es una mejora significativa con respecto a las baterías de iones de litio convencionales, que se están acercando a sus límites de densidad energética.

El Dr. DONG Tiantian, otro co-primer autor del estudio, enfatizó los beneficios ambientales: “la obtención sostenible de silicio a partir de paneles solares desechados mitiga tanto los impactos económicos como ambientales de los residuos fotovoltaicos. Convertir los residuos en valiosos componentes de baterías reduce significativamente el costo de las baterías de iones de litio y aumenta su accesibilidad”.

“Al utilizar materiales reciclados e ingeniería química avanzada, hemos demostrado que las baterías de iones de litio de alto rendimiento y ambientalmente sostenibles no solo son posibles, sino que también están a nuestro alcance”, dijo el Prof. CUI, quien es optimista de que esta investigación conducirá al desarrollo de Baterías de próxima generación capaces de alimentar desde vehículos eléctricos hasta almacenamiento de energía a escala de red.

Este enfoque innovador ejemplifica cómo el reciclaje innovador y la ciencia de los materiales meticulosa pueden converger para resolver algunos de los desafíos más apremiantes en la tecnología energética actual.