La batería de iones de litio de hoy se inventó hace mucho tiempo, no hay muchas más eficiencias que sacar de él. Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) informan de importantes avances en los cátodos realizados con los llamados materiales "desordenados", un nuevo y prometedor tipo de batería de litio.

En un par de artículos publicados este mes en Comunicaciones de la naturaleza y Cartas de revisión física ( PRL ), un equipo de científicos dirigido por Gerbrand Ceder ha elaborado un conjunto de reglas para fabricar nuevos materiales desordenados, un proceso que anteriormente había sido impulsado por prueba y error. También encontraron una forma de incorporar flúor, lo que hace que el material sea más estable y tenga mayor capacidad.

"Esto realmente parece ser una nueva dirección interesante para hacer cátodos de alta densidad de energía, "dijo Ceder, un científico de la facultad sénior en Berkeley Lab que también tiene una cita en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley. "Es notable que todas las sales de rocas desordenadas que la gente ha creado hasta ahora tienen una capacidad de batería muy alta. En el documento de PRL damos una guía sobre cómo fabricar estos materiales de manera más sistemática".

Los beneficios del desorden

El material del cátodo en las baterías de litio se suele "pedir, "lo que significa que los átomos de litio y metales de transición están dispuestos en capas ordenadas, permitiendo que el litio entre y salga de las capas. Hace unos pocos años, El grupo de Ceder descubrió que ciertos tipos de material desordenado podrían almacenar aún más litio, dando a las baterías una mayor capacidad.

El autor principal del artículo de PRL, "El origen de la estructura electrónica del desorden catiónico en los óxidos de metales de transición, "es Alexander Urban, becario postdoctoral de Berkeley Lab.

"A pesar de sus atractivas propiedades, El descubrimiento de nuevos materiales desordenados ha sido impulsado principalmente por prueba y error y por confiar en la intuición humana, ", Dijo Urban." Ahora hemos identificado por primera vez un criterio de diseño simple para predecir nuevas composiciones desordenadas. El nuevo entendimiento establece una relación entre las especies químicas, distorsiones locales de la estructura cristalina, y la tendencia a formar fases desordenadas ".

La otra ventaja de usar materiales desordenados es la capacidad de evitar el uso de cobalto, un recurso limitado, con más de la mitad de la oferta mundial existente en países políticamente inestables. Al pasar a las sales de roca desordenadas, Los diseñadores de baterías podrían tener la libertad de utilizar una gama más amplia de productos químicos. Por ejemplo, Se han hecho materiales desordenados utilizando cromo, titanio, y molibdeno.

"Queremos tener la capacidad de tener más libertad de composición, para que podamos ajustar otros parámetros, ", Dijo Ceder." Hay tantas propiedades para optimizar:el voltaje, la estabilidad a largo plazo, ya sea que sea fácil de sintetizar, es mucho lo que implica llevar un material de batería a un escenario comercial. Ahora tenemos una receta sobre cómo hacer estos materiales ".

Como y por que fluorar las baterías

Otro avance importante en las baterías de iones de litio se informa en el Comunicaciones de la naturaleza papel, "Mitigar la pérdida de oxígeno para mejorar el rendimiento cíclico de los materiales de cátodos desordenados por cationes de alta capacidad, "lo que demuestra que los materiales desordenados pueden fluorarse, a diferencia de otros materiales de batería. La fluoración confiere dos ventajas:permite una mayor capacidad y hace que el material sea más estable. En una batería el aumento de la estabilidad se traduciría en un dispositivo con un ciclo de vida más largo y que es menos probable que se incendie.

El autor principal del artículo, Jinhyuk Lee, anteriormente investigador de Berkeley Lab, trabajó con científicos en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, una fuente de rayos X para la investigación científica, para realizar experimentos in situ. "El ALS fue realmente importante para comprender el mecanismo mediante el cual obtenemos una mayor capacidad, ", Dijo Ceder." Lo que es realmente genial es que puedes mirar la batería mientras está funcionando, y observe la estructura electrónica de los cátodos. Para que aprenda cómo se carga y descarga, donde van los electrones, que es un aspecto crucial del almacenamiento de carga ".

Los científicos de ALS Shawn Sallis y Wanli Yang son coautores, al igual que Bryan McCloskey de Berkeley Lab. "Su grupo fue crucial para demostrar que estos materiales son más estables y no pierden oxígeno, "Dijo Ceder.

Ahora que han demostrado el concepto, Ceder planea hacer un seguimiento tratando de agregar aún más flúor a los materiales.

"Los nuevos materiales de cátodo son la dirección más caliente en las baterías de iones de litio, "Dijo Ceder." El campo está un poco atascado. Para obtener más mejoras en el almacenamiento de energía, solo quedan algunas direcciones. Uno son las baterías de estado sólido, y el otro es seguir mejorando la densidad de energía de los materiales de los electrodos. Los dos no son mutuamente excluyentes. Definitivamente, esta línea de investigación aún no se ha agotado ".