Baterías de iones de litio (LIB) que funcionan como fuentes de energía de alto rendimiento para aplicaciones renovables, como los vehículos eléctricos y la electrónica de consumo, requieren electrodos que entreguen alta densidad de energía sin comprometer la vida útil de la celda.

En el Revista de ciencia y tecnología del vacío A , Los investigadores investigan los orígenes de la degradación en materiales de cátodos LIB de alta densidad de energía y desarrollan estrategias para mitigar esos mecanismos de degradación y mejorar el rendimiento de LIB.

Su investigación podría ser valiosa para muchas aplicaciones emergentes, en particular vehículos eléctricos y almacenamiento de energía a nivel de red para fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar.

"La mayoría de los mecanismos de degradación en las LIB ocurren en las superficies de los electrodos que están en contacto con el electrolito, ", dijo el autor Mark Hersam." Buscamos comprender la química en estas superficies y luego desarrollar estrategias para minimizar la degradación ".

Los investigadores emplearon la caracterización química de la superficie como una estrategia para identificar y minimizar las impurezas residuales de hidróxido y carbonato de la síntesis de NCA (níquel, cobalto, aluminio) nanopartículas. Se dieron cuenta de que las superficies del cátodo LIB primero debían prepararse mediante un recocido adecuado, un proceso mediante el cual las nanopartículas del cátodo se calientan para eliminar las impurezas de la superficie, y luego bloqueado en las estructuras deseables con una capa de grafeno atómicamente delgada.

Las nanopartículas de NCA recubiertas de grafeno, que se formularon en cátodos LIB, mostró propiedades electroquímicas superlativas, incluyendo baja impedancia, rendimiento de alta tasa, altas densidades volumétricas de energía y potencia, y ciclos de vida largos. El revestimiento de grafeno también actuó como barrera entre la superficie del electrodo y el electrolito, lo que mejoró aún más la vida útil de la celda.

Si bien los investigadores habían pensado que el recubrimiento de grafeno por sí solo sería suficiente para mejorar el rendimiento, sus resultados revelaron la importancia del recocido previo de los materiales del cátodo para optimizar la química de su superficie antes de aplicar el recubrimiento de grafeno.

Si bien este trabajo se centró en cátodos LIB ricos en níquel, la metodología podría generalizarse a otros electrodos de almacenamiento de energía, como baterías de iones de sodio o de magnesio, que incorporan materiales nanoestructurados que poseen una gran superficie. Como consecuencia, este trabajo establece un camino claro hacia adelante para la realización de alto rendimiento, dispositivos de almacenamiento de energía basados ​​en nanopartículas.

"Nuestro enfoque también se puede aplicar para mejorar el rendimiento de los ánodos en las LIB y las tecnologías de almacenamiento de energía relacionadas, "dijo Hersam." En última instancia, necesita optimizar tanto el ánodo como el cátodo para lograr el mejor rendimiento posible de la batería ".