Desarrollo de materiales para baterías de ion-litio: Física computacional aplicada a la optimización de ánodos de silicio

F.FERNANDEZ; S.A. PAZ; M. OTERO; D. BARRACO; E. LEIVA

San Carlos de Bariloche

Congreso; AFA 107; 2022

Asociación Física Argentina

El calentamiento global provocado por la quema de combustibles fósiles es el mayor problema ambiental que se enfrenta en este siglo. Uno de los objetivos planteados por el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) es limitar el aumento de temperatura media a 1,5°C. Esto requiere cambios en la tecnología y en el comportamiento humano, donde uno de los más importantes es que para 2050 el 80% de la energía deberá ser suministrada por fuentes renovables. En esta transición energética los sistemas de almacenamiento y transporte de energía juegan un papel vital debido a la intermitencia de estas formas de generación de energía. Actualmente la opción más prometedora son las baterías de litio, sistemas que almacenan energía química y permiten obtener energía eléctrica en el momento que se desee. Las mismas tienen un interés económico, social y tecnológico particular para Argentina debido a ser uno de los países que integra, junto a Bolivia y Chile, el Triángulo de Litio que acumula el 70% de las reservas mundiales de litio.Una batería de litio está principalmente compuesta por dos electrodos, uno positivo (cátodo) y otro negativo (ánodo), en los cuales se almacena el litio en la carga o descarga de la batería, y un electrolito, por el cual migran los iones en dichos procesos. En cada una de estas componentes se realizan investigaciones científicas tanto experimentales como numéricas, buscando maximizar su rendimiento. Dentro de las simulaciones de física computacional que se pueden llevar a cabo para el estudio de materiales se encuentran las que se realizan con potenciales de interacción calculados a partir de primeros principios y las que emplean algún tipo de aproximación para estos potenciales.Las baterías de litio de próxima generación requieren de un aumento en su capacidad de almacenar litio para suplir la demanda futura. En este sentido los ánodos de silicio se presentan como el mejor candidato debido a que poseen una capacidad teórica diez veces mayor que los ánodos actuales de grafito, además de ser un material barato, abundante y amigable con el medio ambiente. Sin embargo, el mismo presenta grandes cambios estructurales y volumétricos, del orden del 300%, que llevan a una disminución de su capacidad en los ciclos de carga/descarga sucesivos. En este trabajo se presenta el análisis de las trayectorias y las estructuras obtenidas mediante simulaciones computacionales de dinámica molecular, las mismas presentan concordancia al ser comparadas con resultados experimentales y de primeros principios. Este conocimiento a nivel atómico de la estructura permite diagramar estrategias para mitigar sus limitaciones y mejorar así su rendimiento.