Un equipo de investigación de la Universidad Northwestern ha encontrado formas de estabilizar una batería nueva con una capacidad de carga récord. Basado en un cátodo de óxido de litio-manganeso, El avance podría permitir que los teléfonos inteligentes y los automóviles que funcionan con baterías duren más del doble entre cargas.

"Este electrodo de batería ha alcanzado una de las capacidades más altas jamás reportadas para todos los electrodos basados ​​en óxido de metal de transición. Es más del doble de la capacidad de los materiales actualmente en su teléfono celular o computadora portátil, "dijo Christopher Wolverton, el Profesor Jerome B. Cohen de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, quien dirigió el estudio. "Este tipo de alta capacidad representaría un gran avance hacia el objetivo de las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos".

El estudio fue publicado en línea el 14 de mayo en Avances de la ciencia .

Las baterías de iones de litio funcionan transportando iones de litio de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo. El cátodo está hecho de un compuesto que comprende iones de litio, un metal de transición y oxígeno. El metal de transición típicamente cobalto, almacena y libera eficazmente energía eléctrica cuando los iones de litio se mueven desde el ánodo al cátodo y viceversa. Entonces, la capacidad del cátodo está limitada por el número de electrones en el metal de transición que pueden participar en la reacción.

Un equipo de investigación francés informó por primera vez sobre el compuesto de óxido de litio-manganeso de gran capacidad en 2016. Al reemplazar el cobalto tradicional con manganeso menos costoso, el equipo desarrolló un electrodo más económico con más del doble de capacidad. Pero no estuvo exento de desafíos. El rendimiento de la batería se degradó de manera tan significativa en los dos primeros ciclos que los investigadores no la consideraron comercialmente viable. Tampoco comprendieron completamente el origen químico de la gran capacidad o la degradación.

Después de componer un detallado, imagen átomo por átomo del cátodo, El equipo de Wolverton descubrió la razón detrás de la alta capacidad del material:obliga al oxígeno a participar en el proceso de reacción. Al usar oxígeno, además del metal de transición, para almacenar y liberar energía eléctrica, la batería tiene una mayor capacidad para almacenar y utilizar más litio.

Próximo, el equipo de Northwestern se centró en estabilizar la batería para evitar su rápida degradación.

"Armados con el conocimiento del proceso de carga, Utilizamos cálculos de alto rendimiento para escanear la tabla periódica y encontrar nuevas formas de alear este compuesto con otros elementos que podrían mejorar el rendimiento de la batería. "dijo Zhenpeng Yao, co-primer autor del artículo y ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Wolverton.

Los cálculos señalaron dos elementos:cromo y vanadio. El equipo predice que la mezcla de cualquiera de los elementos con óxido de litio-manganeso producirá compuestos estables que mantienen la alta capacidad sin precedentes del cátodo. Próximo, Wolverton y sus colaboradores probarán experimentalmente estos compuestos teóricos en el laboratorio.