La Dra. Jennifer Ludwig de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha desarrollado un proceso, que permite un ayuno, sencillo, y producción rentable de cristales nanocristalinos de fosfato de cobalto y litio. En comparación con el fosfato de hierro y litio estándar, este material mejora la densidad de energía de las baterías de iones de litio de aproximadamente 600 a 800 vatios hora por kilogramo. Crédito:Andreas Battenberg / TUM
Hay demanda de energía sobre la marcha:cuanto mayor es la capacidad de la batería, cuanto mayor sea la gama de coches eléctricos y mayor será el tiempo de funcionamiento de los teléfonos móviles y portátiles. La Dra. Jennifer Ludwig de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha desarrollado un proceso que permite un rápido, sencillo, y producción rentable del prometedor material de cátodo fosfato de cobalto de litio de alta calidad. La química recibió el Premio de Investigación Evonik por su trabajo.
La esperanza es rosa:el polvo que Jennifer Ludwig vierte con cuidado en un recipiente de vidrio y que se ilumina en rosa a la luz de la lámpara de laboratorio tiene el potencial de mejorar significativamente el rendimiento de las futuras baterías. "El fosfato de litio y cobalto puede almacenar sustancialmente más energía que los materiales catódicos convencionales, "explica el químico.
Trabajando en el grupo de Tom Nilges, jefe de la Cátedra de Síntesis y Caracterización de Materiales Innovadores, el químico ha desarrollado un proceso para producir el polvo rosa rápidamente, con cantidades mínimas de energía y de la más alta calidad.
Los investigadores de baterías han estado considerando el fosfato de cobalto de litio como un material del futuro durante algún tiempo. Opera a voltajes más altos que el fosfato de hierro y litio empleado tradicionalmente y, por lo tanto, alcanza una densidad de energía más alta:800 vatios hora por kilogramo en lugar de poco menos de 600 vatios hora.
Proceso anterior:caro y que consume mucha energía
Previamente, sin embargo, la producción del prometedor material de cátodo de alto voltaje requirió un proceso muy complejo, Proceso ineficiente y de uso intensivo de energía en condiciones duras con temperaturas de 800 ° C. "Y los cristales que se forman en estas condiciones varían en tamaño y deben triturarse en polvo nanocristalino en un segundo, etapa de producción intensiva en energía, "informa Ludwig.
Dra. Jennifer Ludwig de la Universidad Técnica de Munich (TUM) con muestras de los experimentos de optimización. Finalmente, estos experimentos llevaron a un material de cátodo de alto voltaje, cuales, en comparación con el fosfato de hierro y litio estándar, mejora la densidad de energía de las baterías de iones de litio de aproximadamente 600 a 800 vatios hora por kilogramo. Crédito:Andreas Battenberg / TUM
Es más, los cristales resultantes exhiben suficiente conductividad iónica en una sola dirección. Sobre la mayor parte de la superficie, la reacción química entre el material del electrodo y el electrolito de las baterías progresa muy lentamente.
Cristales a medida
El proceso de síntesis de microondas desarrollado por Jennifer Ludwig resuelve todos estos problemas a la vez:La obtención del fosfato de cobalto de litio de alta calidad requiere solo un horno de microondas y 30 minutos de tiempo.
Los reactivos se colocan en un recipiente de teflón junto con un disolvente y luego se calientan. Solo 600 W son suficientes para alcanzar los 250 ° C necesarios para estimular la formación de cristales.
Las plaquetas planas creadas en el proceso miden menos de un micrómetro de ancho y solo tienen unos pocos cientos de nanómetros de espesor. con el eje de máxima conductividad orientado hacia la superficie. "Esta forma asegura un mejor rendimiento electroquímico porque los iones de litio necesitan moverse solo distancias cortas dentro de los cristales, "explica Ludwig.
Imagen de microscopio electrónico de los cristales de fosfato de cobalto de litio en forma de plaquetas. Dado que los cristales tienen solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor y el eje de máxima conductividad está orientado hacia la superficie, los iones de litio necesitan moverse solo distancias cortas dentro del cristal. Crédito:Katia Rodewald / TUM
Dirigiendo la reacción
La química también pudo resolver otro problema en el curso de sus experimentos:a temperaturas superiores a 200 ° C y bajo alta presión, en lugar del deseado fosfato de cobalto de litio, un desconocido hasta ahora, Ocasionalmente se forma un compuesto complejo de hidróxido de cobalto hidrogenofosfato.
Jennifer Ludwig logró dilucidar el mecanismo de reacción, aislar el compuesto y determinar su estructura y propiedades. Dado que el nuevo compuesto no es adecuado como material de batería, modificó la reacción para que sólo se produzca el fosfato de cobalto de litio deseado.
"Con este nuevo proceso de producción, ahora podemos crear alto rendimiento, Cristales de fosfato de cobalto de litio en forma de plaquetas con propiedades personalizadas de alta calidad, "dice el profesor Nilges." Por lo tanto, se ha superado un nuevo obstáculo en el camino hacia nuevos materiales de alto voltaje ".
