Un equipo de investigadores dirigido por químicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha estudiado una propiedad esquiva en los materiales del cátodo:llamado gradiente de valencia, para comprender su efecto sobre el rendimiento de la batería. Los resultados, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , demostraron que el gradiente de valencia puede servir como un nuevo enfoque para estabilizar la estructura de cátodos con alto contenido de níquel frente a problemas de degradación y seguridad.

Los cátodos con alto contenido de níquel han captado la atención de los científicos por su alta capacidad, una propiedad química que podría propulsar vehículos eléctricos a distancias mucho más largas que las que soportan las baterías actuales. Desafortunadamente, el alto contenido de níquel también hace que estos materiales del cátodo se degrade más rápidamente, creando grietas y problemas de estabilidad a medida que los ciclos de la batería.

En busca de soluciones a estos problemas estructurales, Los científicos han sintetizado materiales hechos con un gradiente de concentración de níquel, en el que la concentración de níquel cambia gradualmente desde la superficie del material hasta su centro, o la mayor parte. Estos materiales han mostrado una estabilidad muy mejorada, pero los científicos no han podido determinar si el gradiente de concentración solo fue responsable de las mejoras. El gradiente de concentración ha sido tradicionalmente inseparable de otro efecto llamado gradiente de valencia, o un cambio gradual en el estado de oxidación del níquel desde la superficie del material a la masa.

En el nuevo estudio dirigido por Brookhaven Lab, Los químicos del Laboratorio Nacional Argonne del DOE sintetizaron un material único que aisló el gradiente de valencia del gradiente de concentración.

"Utilizamos un material muy exclusivo que incluía un gradiente de valencia de níquel sin un gradiente de concentración de níquel, "dijo el químico de Brookhaven Ruoqian Lin, primer autor del estudio. "La concentración de los tres metales de transición en el material del cátodo fue la misma desde la superficie hasta la masa, pero el estado de oxidación del níquel cambió. Obtuvimos estas propiedades controlando la atmósfera del material y el tiempo de calcinación durante la síntesis. Con suficiente tiempo de calcinación, la fuerza de unión más fuerte entre el manganeso y el oxígeno promueve el movimiento de oxígeno hacia el núcleo del material mientras mantiene un estado de oxidación Ni2 + para el níquel en la superficie, formando el gradiente de valencia ".

Una vez que los químicos sintetizaron con éxito un material con un gradiente de valencia aislado, Luego, los investigadores de Brookhaven estudiaron su desempeño utilizando dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio de Brookhaven:la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II (NSLS-II) y el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN).

En NSLS-II, una fuente de luz de rayos X ultrabrillante, el equipo aprovechó dos estaciones experimentales de vanguardia, la línea de luz Hard X-ray Nanoprobe (HXN) y la línea de luz Full Field X-ray Imaging (FXI). Combinando las capacidades de ambas líneas de luz, los investigadores pudieron visualizar la estructura a escala atómica y la composición química de su muestra en 3D después de que la batería funcionó durante varios ciclos.

"Ambas líneas de luz tienen capacidades líderes en el mundo. No puede realizar esta investigación en ningún otro lugar, "dijo Yong Chu, líder del programa de imágenes y microscopía en NSLS-II y científico líder en líneas de luz en HXN. "FXI es la línea de luz a nanoescala más rápida del mundo; es aproximadamente diez veces más rápida que cualquier otro competidor. HXN es mucho más lenta, pero es mucho más sensible:es la línea de haz de imágenes de rayos X de mayor resolución del mundo ".

El científico de la línea de luz HXN Xiaojing Huang agregó:"En HXN, realizamos mediciones de forma rutinaria en modo multimodal, lo que significa que recopilamos varias señales simultáneamente. En este estudio, utilizamos una señal de fluorescencia y una señal de fitografía para reconstruir un modelo 3D de la muestra a nanoescala. El canal de fluorescencia proporcionó la distribución elemental, confirmando la composición y uniformidad de la muestra. El canal de fitografía proporcionó información estructural de alta resolución, revelando cualquier microgrieta en la muestra ".

Mientras tanto en FXI, "la línea de luz mostró cómo existía el gradiente de valencia en este material. Y debido a que realizamos imágenes de fotograma completo a una tasa de adquisición de datos muy alta, pudimos estudiar muchas regiones y aumentar la confiabilidad estadística del estudio, "Dijo Lin.

En la instalación de microscopía electrónica de CFN, los investigadores utilizaron un microscopio electrónico de transmisión (TEM) avanzado para visualizar la muestra con una resolución ultra alta. En comparación con los estudios de rayos X, el TEM solo puede sondear un área mucho más pequeña de la muestra y, por lo tanto, es menos confiable estadísticamente en toda la muestra, pero a su vez, los datos son mucho más detallados y visualmente intuitivos.

Al combinar los datos recopilados en todas las diferentes instalaciones, los investigadores pudieron confirmar que el gradiente de valencia desempeñaba un papel fundamental en el rendimiento de la batería. El gradiente de valencia "escondió" las regiones de níquel más capacitivas pero menos estables en el centro del material, exponiendo solo el níquel estructuralmente más sólido en la superficie. Esta importante disposición suprimió la formación de grietas.

Los investigadores dicen que este trabajo destaca el impacto positivo que los materiales de gradiente de concentración pueden tener en el rendimiento de la batería al tiempo que ofrece un nuevo, enfoque complementario para estabilizar materiales de cátodos con alto contenido de níquel a través del gradiente de valencia.

"Estos hallazgos nos brindan una guía muy importante para la futura síntesis de materiales novedosos y el diseño de materiales de cátodos, que aplicaremos en nuestros estudios en el futuro, "Dijo Lin.