Un equipo de científicos que incluye investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC han identificado las causas de la degradación en un material de cátodo para baterías de iones de litio, así como posibles remedios. Sus hallazgos, publicado el 7 de marzo en Materiales funcionales avanzados , podría conducir al desarrollo de baterías más asequibles y de mejor rendimiento para vehículos eléctricos.

Búsqueda de materiales de cátodos de alto rendimiento

Para que los vehículos eléctricos ofrezcan la misma fiabilidad que los vehículos de gasolina, necesitan baterías ligeras pero potentes. Las baterías de iones de litio son el tipo de batería más común que se encuentra en los vehículos eléctricos en la actualidad. pero su alto costo y vida útil limitada son limitaciones para el despliegue generalizado de vehículos eléctricos. Para superar estos desafíos, Los científicos de muchos de los laboratorios nacionales del DOE están investigando formas de mejorar la batería tradicional de iones de litio.

Las baterías están compuestas por un ánodo, un cátodo, y un electrolito, pero muchos científicos consideran que el cátodo es el desafío más urgente. Los investigadores de Brookhaven forman parte de un consorcio patrocinado por el DOE llamado Battery500, un grupo que trabaja para triplicar la densidad energética de las baterías que alimentan los vehículos eléctricos actuales. Uno de sus objetivos es optimizar una clase de materiales de cátodos llamados materiales en capas ricos en níquel.

"Los materiales en capas son muy atractivos porque son relativamente fáciles de sintetizar, sino también porque tienen alta capacidad y densidad de energía, "dijo el químico de Brookhaven Enyuan Hu, un autor del artículo.

El óxido de cobalto de litio es un material en capas que se ha utilizado como cátodo para baterías de iones de litio durante muchos años. A pesar de su exitosa aplicación en pequeños sistemas de almacenamiento de energía como la electrónica portátil, El costo y la toxicidad del cobalto son barreras para el uso del material en sistemas más grandes. Ahora, Los investigadores están investigando cómo reemplazar el cobalto con elementos más seguros y asequibles sin comprometer el rendimiento del material.

"Elegimos un material en capas rico en níquel porque el níquel es menos costoso y tóxico que el cobalto, "Hu dijo." Sin embargo, el problema es que los materiales en capas ricos en níquel comienzan a degradarse después de múltiples ciclos de carga y descarga en una batería. Nuestro objetivo es identificar la causa de esta degradación y brindar posibles soluciones ".

Determinar la causa del desvanecimiento de la capacidad

Los materiales del cátodo se pueden degradar de varias formas. Para materiales ricos en níquel, el problema es principalmente el desvanecimiento de la capacidad, una reducción en la capacidad de carga y descarga de la batería después de su uso. Para comprender completamente este proceso en sus materiales estratificados ricos en níquel, los científicos necesitaban utilizar múltiples técnicas de investigación para evaluar el material desde diferentes ángulos.

"Este es un material muy complejo. Sus propiedades pueden cambiar en diferentes escalas de longitud durante el ciclismo, ", Dijo Hu." Necesitábamos comprender cómo cambiaba la estructura del material durante el proceso de carga y descarga, tanto físicamente, a escala atómica, como químicamente, que involucró múltiples elementos:níquel, cobalto, manganeso, oxígeno, y litio ".

Para hacerlo Hu y sus colegas caracterizaron el material en múltiples instalaciones de investigación, incluidas dos fuentes de luz de sincrotrón:la fuente de luz de sincrotrón nacional II (NSLS-II) en Brookhaven y la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) en SLAC. Ambas son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"En todas las escalas de longitud de este material, de angstroms a nanómetros y micrómetros, algo está sucediendo durante el proceso de carga y descarga de la batería, "dijo el coautor Eli Stavitski, científico de línea de luz en la línea de luz de espectroscopia de capa interna (ISS) de NSLS-II. "Usamos una técnica llamada espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) aquí en ISS para revelar una imagen atómica del entorno alrededor de los iones metálicos activos en el material".

Los resultados de los experimentos XAS en NSLS-II llevaron a los investigadores a concluir que el material tenía una estructura robusta que no liberaba oxígeno de la masa. desafiando creencias previas. En lugar de, los investigadores identificaron que la cepa y el trastorno local se asociaron principalmente con el níquel.

Para investigar más, el equipo realizó experimentos de microscopía de rayos X de transmisión (TXM) en SSRL, mapear todas las distribuciones químicas en el material. Esta técnica produce un gran conjunto de datos, por lo que los científicos de SSRL aplicaron el aprendizaje automático para clasificar los datos.

"Estos experimentos produjeron una gran cantidad de datos, que es donde entró nuestra contribución informática, "dijo el coautor Yijin Liu, un científico del personal de SLAC. "No habría sido práctico para los humanos analizar todos estos datos, así que desarrollamos un enfoque de aprendizaje automático que buscó a través de los datos y emitió juicios sobre qué ubicaciones eran problemáticas. Esto nos dijo dónde buscar y guió nuestro análisis ".

Hu dijo, "La principal conclusión que extrajimos de este experimento fue que había considerables inhomogeneidades en los estados de oxidación de los átomos de níquel en toda la partícula. Algo de níquel dentro de la partícula mantenía un estado oxidado, y probablemente desactivado, mientras que el níquel en la superficie se redujo irreversiblemente, disminuyendo su eficiencia ".

Experimentos adicionales revelaron pequeñas grietas formadas dentro de la estructura del material.

"Durante el proceso de carga y descarga de una batería, el material del cátodo se expande y contrae, creando estrés, "Hu dijo." Si ese estrés se puede liberar rápidamente, entonces no causa ningún problema, pero, si no se puede liberar de manera eficiente, entonces pueden producirse grietas ".

Los científicos creían que posiblemente podrían mitigar este problema sintetizando un nuevo material con una estructura hueca. Probaron y confirmaron esa teoría experimentalmente, así como a través de cálculos. Avanzando el equipo planea continuar desarrollando y caracterizando nuevos materiales para mejorar su eficiencia.

"Trabajamos en un ciclo de desarrollo, "Dijo Stavitski." Desarrollas el material, luego lo caracteriza para conocer mejor su desempeño. Luego, vuelve a un químico sintético para desarrollar una estructura de material avanzada, y luego lo caracterizas de nuevo. Es un camino hacia la mejora continua ".

Adicionalmente, a medida que NSLS-II continúa desarrollando sus capacidades, los científicos planean completar experimentos TXM más avanzados en este tipo de materiales, aprovechando la luz ultrabrillante de NSLS-II.