Los investigadores Pablo Taboada, Silvia Barbosa, Gerardo Prieto y Adriana Cambón (iMATUS) y Pablo del Pino, Beatriz Pelaz y Ester Polo (CIQUS) crearán ánodos de silicio para baterías mediante impresión 3D dentro del proyecto “Nanomateriales Derivados de MOFs Basados en Silicio para la Fabricación Aditiva por Impresión 3D de la Próxima Generación de Ánodos para Baterías de Iones de Litio (MOFSiAN)”, perteneciente a la convocatoria “Proyectos Estratégicos Orientados a la Transición Ecológica y a la Transición Digital 2021”.
El almacenamiento energético por medios electroquímicos (EES) es una de las tecnologías más prometedoras para explotar el potencial de las fuentes de energía renovables de cara a garantizar un crecimiento industrial sostenible y reducir la emisión de gases de efecto invernadero y otros contaminantes, para lo cual la promoción mundial de los vehículos eléctricos (VE) es otra de las apuestas estratégicas. Entre los diversos dispositivos EES, las baterías recargables de iones de litio (LIBs) dominan actualmente el mercado siendo empleadas para alimentar dispositivos electrónicos portátiles, instrumentos médicos, y vehículos eléctricos de última generación gracias a su densidad energética, masa liviana, larga vida útil, etc. No obstante, las LIBs se están acercando a su máxima capacidad teórica lo que limita su uso en VE/HVE de largo alcance, y en sistemas de almacenamiento a gran escala que permitan gestionar de manera más adecuada las fuentes de energías renovables. Por lo tanto, existe una gran demanda de baterías con mayores densidades de energía, potencia, vida útil y tiempos de recarga más cortos. Para incrementar las densidades energéticas y las eficiencias de conversión se necesitan con urgencia: i) nuevos diseños de materiales que configuren los electrodos de las LIBs, así como ii) su integración mediante procesos de fabricación más flexibles, baratos y rentables, dada la elevada inmadurez de otras alternativas como las baterías de Li-S, Li-aire, u otros tipos basados en metal-ión y metal-aire (metal = Na, Mg, Ca, Al, Fe, K).
En este proyecto se combinará el diseño y caracterización de nanopartículas porosas de nanosilicio@red metalo-orgánica (m-nSi@MOF) y composites híbridos derivados de MOF con estructura corazón@coraza, nanosilicio@carbono (m-nSi@C) y nanosilicio@óxido metálico@carbono (m-nSi@MO@C) porosos, como nuevos materiales para ánodos de LIBs con el objetivo de explotar la excelente capacidad teórica y el bajo voltaje de absorción de iones Li del silicio mientras se superan los inconvenientes asociados al proceso como son: el excesivo cambio de su volumen del silicio durante su litiación-deslitiación y su conductividad electrónica y difusividad de Li deficientes, factores que impiden su desarrollo comercial.
Para satisfacer las crecientes demandas de sistemas de EES con mayores densidades de energía y potencia, en MOFSiAN también se prevé el desarrollo de una metodología de fabricación innovadora que permita la obtención de andamios gruesos y porosos basados en silicio con estructura tridimensional jerarquizada y mayor masa de material activo. Para ello, se empleará una técnica de fabricación aditiva como la escritura directa de tinta, en la que los nanocomposites híbridos de Si obtenidos previamente serán los componentes principales de las tintas utilizadas para la impresión 3D de microfilamentos que conformen los ánodos de estas nuevas LIBs con alta densidad energética. En todo el proyecto se perseguirá, además, una comprensión completa de las correlaciones entre el diseño de materiales, los parámetros de síntesis/producción, las nano/microestructuras obtenidas y el rendimiento electroquímico.
En resumen, MOFSiAN debe suponer un importante paso adelante en el conocimiento científico sobre las LIBs que, en caso de tener éxito, implicará una mejora clave en la tecnología y sus capacidades abriendo nuevas posibilidades en aplicaciones ya existentes y futuras.