Si agrega más litio al electrodo positivo de una batería de iones de litio, colóquelo en exceso, en cierto sentido, puede almacenar mucha más carga en la misma cantidad de espacio, en teoría, impulsar un automóvil eléctrico entre un 30 y un 50 por ciento más entre cargas. Pero estos cátodos ricos en litio pierden voltaje rápidamente, y años de investigación no han podido precisar por qué, hasta ahora.

Después de analizar el problema desde muchos ángulos, investigadores de la Universidad de Stanford, dos laboratorios nacionales del Departamento de Energía y el fabricante de baterías Samsung crearon una imagen completa de cómo los mismos procesos químicos que dan a estos cátodos su alta capacidad también están relacionados con cambios en la estructura atómica que debilitan el rendimiento.

"Estas son buenas noticias, "dijo William E. Gent, estudiante de posgrado de la Universidad de Stanford y becario Siebel que dirigió el estudio. "Nos brinda una nueva vía prometedora para optimizar el rendimiento de voltaje de los cátodos ricos en litio al controlar la forma en que su estructura atómica evoluciona a medida que la batería se carga y descarga".

Michael Toney, un científico distinguido del personal del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC y coautor del artículo, adicional, "Es un gran problema si puede hacer que estos electrodos ricos en litio funcionen porque serían uno de los habilitadores para los autos eléctricos con un alcance mucho más largo. Existe un enorme interés en la comunidad automotriz en desarrollar formas de implementarlos, y comprender cuáles son las barreras tecnológicas puede ayudarnos a resolver los problemas que las están frenando ".

El informe del equipo aparece hoy en Comunicaciones de la naturaleza .

Los investigadores estudiaron los cátodos con una variedad de técnicas de rayos X en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC y la fuente de luz avanzada (ALS) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Teóricos de la Fundición Molecular de Berkeley Lab, dirigido por David Prendergast, también estuvieron involucrados, ayudar a los experimentadores a comprender qué buscar y explicar sus resultados.

Los cátodos en sí fueron fabricados por Samsung Advanced Institute of Technology utilizando procesos comercialmente relevantes, y ensamblados en baterías similares a las de los vehículos eléctricos.

"Esto aseguró que nuestros resultados representaran la comprensión de un material de vanguardia que sería directamente relevante para nuestros socios de la industria, ", Dijo Gent. Como becario de doctorado en ALS en residencia, participó tanto en los experimentos como en el modelado teórico para el estudio.

Como un balde medio vacío

Las baterías convierten la energía eléctrica en energía química para su almacenamiento. Tienen tres partes básicas:dos electrodos, el cátodo y el ánodo, y el electrolito líquido entre ellos. A medida que se carga y descarga una batería de iones de litio, Los iones de litio van y vienen entre los dos electrodos, donde se insertan en los materiales de los electrodos.

Cuantos más iones pueda absorber y liberar un electrodo en relación con su tamaño y peso, un factor conocido como capacidad, más energía puede almacenar y más pequeña y ligera puede ser una batería. permitiendo que las baterías se encojan y que los autos eléctricos viajen más millas entre cargas.

"El cátodo de las baterías de iones de litio actuales funciona a solo la mitad de su capacidad teórica, lo que significa que debería poder durar el doble por carga, "dijo el profesor de Stanford William Chueh, investigador del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en SLAC.

"Pero no puedes cargarlo completamente. Es como un cubo que llenas de agua, pero luego solo puedes verter la mitad del agua. Este es uno de los grandes desafíos en el campo en este momento:¿cómo se logra que estos materiales de cátodos se comporten a la altura de su capacidad teórica? Es por eso que la gente está tan entusiasmada con la posibilidad de almacenar mucha más energía en cátodos ricos en litio ".

Como los cátodos de hoy, Los cátodos ricos en litio están hechos de capas de litio intercaladas entre capas de óxidos de metales de transición, elementos como el níquel, manganeso o cobalto combinado con oxígeno. Agregar litio a la capa de óxido aumenta la capacidad del cátodo entre un 30 y un 50 por ciento.

Conectando los puntos

Investigaciones anteriores habían demostrado que suceden varias cosas simultáneamente cuando se cargan cátodos ricos en litio, Chueh dijo:Los iones de litio salen del cátodo al ánodo. Algunos átomos de metales de transición se mueven para ocupar su lugar. Mientras tanto, los átomos de oxígeno liberan algunos de sus electrones, establecer la corriente eléctrica y el voltaje para la carga, según Chueh. Cuando los iones y electrones de litio regresan al cátodo durante la descarga, la mayoría de los intrusos de los metales de transición regresan a sus lugares originales, pero no todos y no de inmediato. Con cada ciclo, este vaivén cambia la estructura atómica del cátodo. Es como si el cubo se transformara en un cubo más pequeño y ligeramente diferente, Añadió Chueh.

"Sabíamos que todos estos fenómenos probablemente estaban relacionados, pero no como ", Dijo Chueh." Ahora este conjunto de experimentos en SSRL y ALS muestra el mecanismo que los conecta y cómo controlarlo. Este es un descubrimiento tecnológico significativo que la gente no ha entendido de manera integral ".

En el SSRL de SLAC, Toney y sus colegas utilizaron una variedad de métodos de rayos X para hacer una determinación cuidadosa de cómo cambiaba la estructura atómica y química del cátodo a medida que la batería se cargaba y descargaba.

Otra herramienta importante fue RIXS de rayos X suave, o dispersión de rayos X inelástica resonante, que recopila información a escala atómica sobre las propiedades magnéticas y electrónicas de un material. Un sistema RIXS avanzado que comenzó a funcionar en ALS el año pasado escanea muestras mucho más rápido que antes.

"RIXS se ha utilizado principalmente para física fundamental, "Wanli Yang, científico de ELA, dijo." Pero con este nuevo sistema de ELA, queríamos abrir realmente RIXS para estudios prácticos de materiales, incluidos los materiales relacionados con la energía. Ahora que se ha demostrado parcialmente su potencial para estos estudios, fácilmente podríamos extender RIXS a otros materiales de batería y revelar información que antes no era accesible ".

El equipo ya está trabajando para utilizar los conocimientos fundamentales que han adquirido para diseñar materiales de batería que puedan alcanzar su capacidad teórica y no perder voltaje con el tiempo.