Las baterías de iones de litio que alimentan los vehículos eléctricos y los teléfonos se cargan y descargan transportando iones de litio de un lado a otro entre dos electrodos. un ánodo y un cátodo. Cuantos más iones de litio sean capaces de absorber y liberar los electrodos, cuanta más energía pueda almacenar la batería.

Un problema que afecta a los materiales de baterías comerciales de hoy en día es que solo pueden liberar aproximadamente la mitad de los iones de litio que contienen. Una solución prometedora es llenar los cátodos con iones de litio adicionales, permitiéndoles almacenar más energía en la misma cantidad de espacio. Pero por alguna razón Cada nuevo ciclo de carga y descarga despoja lentamente a estos cátodos ricos en litio de su voltaje y capacidad.

Un nuevo estudio proporciona un modelo completo de este proceso, identificar qué lo origina y cómo finalmente conduce a la caída de la batería. Dirigido por investigadores de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, fue publicado hoy en Materiales de la naturaleza .

"Esta investigación abordó muchos conceptos erróneos en el campo, "dice el líder del estudio William Gent, becario Siebel de la Universidad de Stanford y ganador de una beca de doctorado en fuente de luz avanzada y fundición molecular en Berkeley Lab. "Hay un largo camino por recorrer, pero ahora tenemos una comprensión fundamental de las propiedades que conducen a este proceso que nos ayudará a aprovechar su poder en lugar de simplemente apuñalarlo en la oscuridad ".

Empapándolo

El ciclo del litio a través de una batería es como un relé de esponja, un elemento básico de los picnics y las barbacoas del 4 de julio que desafía a los participantes a transferir agua de un balde a otro usando solo una esponja. Cuanto más absorbente sea la esponja, cuanta más agua pueda exprimirse en el segundo balde.

Los cátodos de batería ricos en litio son como esponjas superabsorbentes, capaz de absorber casi el doble de iones de litio que los cátodos comerciales, empaquetando hasta el doble de energía en la misma cantidad de espacio. Esto podría permitir baterías de teléfonos más pequeñas y vehículos eléctricos que viajen más lejos entre cargas.

La mayoría de los cátodos de las baterías de iones de litio contienen capas alternas de óxidos de metales de transición y litio, elementos como níquel o cobalto combinados con oxígeno. En baterías comerciales, cada vez que un átomo de litio sale del cátodo hacia el ánodo, un electrón se extrae de un átomo de metal de transición. Estos electrones crean la corriente eléctrica y el voltaje necesarios para cargar el material.

Pero sucede algo diferente con las baterías ricas en litio.

"Una característica inusual de los cátodos ricos en litio es que el electrón proviene del oxígeno en lugar del metal de transición, "dice Michael Toney, distinguido científico de planta de SLAC y coautor del artículo. "Este proceso, llamada oxidación de oxígeno, permite que los cátodos extraigan aproximadamente el 90 por ciento del litio a un voltaje lo suficientemente alto como para aumentar la energía almacenada en la batería ".

Despedazándose

Pero imagina en el relé de esponja que con cada remojo posterior, la estructura de la esponja cambia:las fibras se endurecen y se agrupan, devorando el espacio vacío que hace que el material sea tan eficiente para absorber agua. La oxidación del oxígeno hace algo similar. El estudio anterior de los autores, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , mostró que cada vez que los iones de litio salen del cátodo al ánodo, algunos átomos de metales de transición se cuelan para ocupar su lugar y la estructura atómica del cátodo se vuelve un poco más desordenada. La estructura en capas esencial para el funcionamiento del cátodo se desmorona lentamente, minando su voltaje y capacidad.

En este nuevo estudio, Los investigadores demostraron que esto se debe a que, al arrancar el electrón del oxígeno, este quiere formar otro enlace y los átomos de los metales de transición tienen que moverse para adaptarse a ese enlace. cambiando la estructura atómica.

"Este es el primer artículo que proporciona un modelo completo de por qué estas cosas están relacionadas y de dónde provienen muchas de las propiedades inusuales del cátodo rico en litio. "dice Jihyun Hong, un postdoctorado de Stanford y SLAC, ahora en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST).

Aprovechando el efecto

Toney dice que se necesitó la combinación de teoría y muchos métodos experimentales, hecho en la fuente de luz sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, así como en la fuente de luz avanzada (ALS) y la fundición molecular de Berkeley Lab, para desenredar este complicado problema.

Esta combinación permitió al equipo demostrar de manera concluyente la fuerte fuerza impulsora detrás de los cambios en la configuración de unión del cátodo durante la oxidación del oxígeno. El siguiente paso, Toney dice:es encontrar formas de producir esos cambios sin alterar totalmente la estructura cristalina del cátodo.

"Debido a que la oxidación del oxígeno da lugar a una densidad de energía adicional, ser capaz de comprenderlo y controlarlo es potencialmente un cambio de juego en los vehículos eléctricos, "dice William Chueh, Profesor asistente de ciencias de los materiales en Stanford, quien codirigió el estudio. "Hasta aquí, el progreso en este espacio ha sido en gran medida incremental, con mejoras de solo un pequeño porcentaje anual. Si podemos encontrar una manera de hacer que esto funcione, sería un gran paso adelante para hacer práctica esta tecnología ".