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El grupo DSD (Dispositivos de Silicio Depositado) perteneciente a la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica del Departamento de Energía del CIEMAT, y el Departamento de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), colaboran estrechamente en la fabricación y caracterización de baterías de ion-Litio, con ánodos de silicio amorfo depositado por la técnica de PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), como parte de las actividades planteadas en el proyecto SCALED.

El proyecto SCALED (Selective Contacts and Active Layers for Energy Devices, PID2019-109215RB-C42), es un proyecto de tipo coordinado de la Convocatoria 2019  I+D+i - RTI (Retos de Investigación), formado por el consorcio constituido por la Universidad Politécnica de Cataluña, el Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid, la Universidad de Barcelona y el CIEMAT; estas cuatro instituciones llevan más de veinte años colaborando en proyectos relacionados fundamentalmente con la investigación en materiales y dispositivos para aplicaciones solares fotovoltaicas. Actualmente, con el proyecto SCALED, además de innovar en materiales en lámina delgada de bajo coste para células solares, se incluye entre sus objetivos,  tareas relacionadas con el almacenamiento de energía, en concreto,  la fabricación de baterías de tipo botón basadas en la tecnología de ion-Litio empleando electrodos de silicio amorfo preparados en la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica. Hasta la fecha, este material ha resultado ser la base de las células solares que se fabrican en el grupo DSD. La experiencia en el mismo se pretende trasladar a otros dispositivos para aplicaciones energéticas, entre ellos a las baterías de ion-Li, aumentando así la funcionalidad del silicio amorfo depositado en lámina delgada por la técnica de PECVD.

Desde el punto de vista tecnológico, ¿por qué se plantea el silicio amorfo como electrodo en este tipo de baterías de ion-Li? Una de las ventajas que ofrecen los electrodos basados en silicio en lugar de los más convencionales de grafito, se debe a que el silicio es capaz de incrementar notablemente la capacidad de carga de la batería. Sin embargo, el silicio si es cristalino, tiende a agrietarse debido a las tensiones ocasionadas por los enormes cambios de volumen que sufre su estructura durante los procesos de carga y descarga, llegando incluso a desprenderse, lo que ocasiona un acortamiento considerable del tiempo de vida de la batería. La estructura más desordenada del silicio, en su fase amorfa, consigue acomodar de manera más eficiente los cambios de volumen, reduciendo notablemente las tensiones, y prolongando así su vida útil. Otra virtud que presenta el silicio amorfo crecido con la técnica de PECVD en el CIEMAT, es que se puede depositar directamente sobre una hoja de cobre, y fabricar el electrodo en un único paso.  Esta técnica además permite dopar ligeramente el silicio amorfo, incrementando su conductividad y mejorando sus propiedades. Asimismo, el material una vez preparado, se puede atacar mediante procesos químicos sencillos para formar nanoestructuras, por ejemplo, nanohilos de silicio, incrementando la superficie específica del electrodo en contacto con el electrolito, lo que contribuye a una mejora adicional de la capacidad de la batería.

Para poder desarrollar de forma completa esta actividad, y poder probar estos electrodos de silicio amorfo en dispositivos reales, el grupo DSD del CIEMAT colabora estrechamente con la catedrática Carmen Morant (UAM) y con el investigador Sergio Pinilla (Trinity College Dublin, Irlanda), ambos con amplia experiencia en la fabricación y caracterización de este tipo de baterías de ion-Litio, así como en la formación de los nanohilos de silicio por ataque químico. Esta colaboración conjunta, junto a las prácticas Erasmus desarrolladas en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM, 2020-2021) del estudiante Álvaro Portugal (Imperial Collage London), ha dado lugar a la fabricación de baterías con resultados preliminares muy satisfactorios con electrodos de silicio amorfo sin dopar, dopado y nanoestructurado. Asimismo se han estudiado nanoestructuras con nanotubos de carbono (CNTs) combinadas con el silicio amorfo. Actualmente, se han logrado baterías con capacidades muy superiores a las baterías usuales con electrodos de grafito.

Durante los próximos años de vigencia del proyecto SCALED (2020-2023) se pretende continuar esta colaboración con la UAM, así como ensayar nuevos materiales y nanoestructuras para las baterías de ion-Li, con objeto de seguir incrementando su capacidad y tiempos de ciclado.

En definitiva, con la propuesta de esta nueva línea de trabajo en materiales para baterías dentro del proyecto SCALED, la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica del Departamento de Energía del CIEMAT junto a la UAM, pretenden contribuir a uno de los retos tecnológicos planteados en la transición energética en la que estamos inmersos, en relación a materiales potencialmente valiosos para el almacenamiento de la energía.

Figura 1. Imagen por SEM (Microscopio Electrónico de Barrido) de nanohilos de silicio amorfo (a-SiNWs) formados tras un ataque químico de las láminas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) depositadas por PECVD sobre  láminas de cobre (Cu).

Figura 2. En esta gráfica se muestra la capacidad específica de las primeras baterías de ion-Li  fabricadas para el proyecto SCALED con electrodos de silicio amorfo (a-Si:H dopado tipo  n y sin dopar), con nanohilos de silicio amorfo (a-SiNWs) con y sin nanotubos de carbono (CNTs). Estos resultados se comparan con la capacidad teórica de los electrodos de grafito convencionales. Se observa una clara mejora de la capacidad de las baterías fabricadas con todos los electrodos basados en silicio amorfo desarrollados para este proyecto.

Figura 3. Imagen de los componentes de la batería y del montaje de la misma en el interior de una campana de guantes presurizada con argón para evitar el contacto con el oxígeno del ambiente.