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La tendencia mundial es desarrollar materiales compuestos de nanoestructuras de silicio con carbón: María del Rocío Nava

8 de abril de 2022.

Invitada por El Colegio de Sinaloa al programa Ciencia en Directo, la Dra. María del Rocío Nava Lara —investigadora del Instituto de Energías Renovables de la UNAM— impartió la conferencia: El silicio en sistemas de almacenamiento de energía, el jueves 7 de abril, a través de Zoom y Facebook institucionales.

Para iniciar, comentó que el propósito de su investigación es mejorar el aprovechamiento de las energías renovables, señalar el papel que juega el silicio en el sistema de almacenamiento de energía y particularmente en baterías electroquímicas. Asimismo, explicó la importancia del silicio por sus propiedades semiconductoras y sus propiedades de almacenamiento de iones de litio.  Expresó que en el Instituto de Energías Renovables buscan mejorar las características de los materiales empleando silicio para aumentar su capacidad de almacenamiento de litio, además, enfatizó en la importancia de desarrollar materiales con el propósito de reducir las emisiones contaminantes que tanto dañan al planeta y a la salud.

Algunos de los ejemplos que dio, donde se encuentran las baterías de litio, son dispositivos portátiles como celulares y cámaras. Por otro lado, habló sobre algunos antecedentes, entre ellos la invención de la batería por Volta en 1800, siendo hasta 1991 cuando se emplean baterías recargables en base a iones de litio, patentadas por Sony Corporation. Agregó que en este tipo de baterías se emplean ánodos de grafito, donde los iones de litio se intercalan a la estructura del grafito (se almacenan en los espacios de las capas de carbono).

La Dra. Nava mencionó que para remplazar los ánodos de grafito e incrementar la capacidad de las baterías se encontraron a los elementos del grupo IV de la tabla periódica, entre ellos destaca el silicio por su abundancia y su mayor capacidad de almacenamiento. Sin embargo, explicó que con la carga y descarga de la batería, en consecuencia, se da una fatiga mecánica, lo cual acaba pulverizando el ánodo, ocurre la pérdida de contacto eléctrico y entonces deja de funcionar la batería.

No obstante, expresó que afortunadamente se puede utilizar el silicio en su forma de nanoestructuras —nanopartículas, nanoalambres, silicio poroso e incluso materiales orgánicos como la cáscara de arroz—. “Todas estas nanoestructuras tienen mucho espacio libre para expandirse o contraerse durante la carga y descarga de la batería y eso evita o reduce la acumulación de esfuerzos y prolonga los ciclos de funcionamiento del ánodo”, señaló la académica.

Enfatizó que su interés se centra en utilizar el silicio poroso en baterías de ion de litio, y cuenta con más de 15 años trabajando con esta nanoestructura, enfocado en la producción de estructuras fotónicas, es decir, estructuras que controlan la propagación de la luz.

Agregó que cuando se introducen esas nanoestructuras en una batería se forma alrededor de la partícula de silicio una capa compuesta de productos de descomposición del electrolito; aclaró que si esa capa fuera fija —la cual pasiva la nanoestructura de silicio— la batería podría funcionar con un número muy grande de ciclos, el problema es que esa película es rígida. Comentó que en cada ciclo de carga y descarga se está descomponiendo el electrolito y se está perdiendo material activo —iones de litio— disminuyendo, así, la capacidad de la batería con el tiempo.

“La tendencia en investigación a nivel internacional es combinar, hacer materiales compuestos de nanoestructuras de silicio con carbón, donde se aproveche la estabilidad química y la conductividad eléctrica del carbón con la capacidad de almacenamiento del silicio y, además, mejorar su velocidad de carga y descarga”, expuso Rocío Nava respecto a la capacidad del silicio como semiconductor.

En esa búsqueda de aprovechar las características del carbón y del silicio, detalló algunas estructuras de silicio-carbón, por ejemplo, en forma de granada, donde se ha logrado que la batería dure hasta mil ciclos de carga y descarga. Cabe destacar, que a pesar de que la capacidad de almacenamiento depende de la rapidez con la que se cargue la batería, aún así se tiene una capacidad tres veces mayor a la del grafito. Asimismo, habló sobre el método de hilado centrifugado utilizado a nivel industrial.

Hacia el final de su conferencia, la Dra. Rocío Nava destacó que, si bien se enfocan en utilizar el silicio poroso en baterías de ion de litio, las reservas mundiales de litio son limitadas, estimando que sus reservas dan para 30 años. Indicó que esta situación los ha llevado a buscar alternativas para el litio, entre ellas el sodio. Concluyó que “es importante desarrollar una tecnología basada en materiales que sean abundantes para que los precios no sean tan altos, se puedan aprovechar en muchos dispositivos y que su expansión sea masiva”.

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