Una tecnología prometedora que están desarrollando los principales fabricantes de baterías se ha vuelto aún más atractiva, gracias a los investigadores que han examinado sin precedentes una barrera clave para mejorar, Baterías de iones de litio de mayor duración.

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. Informan sobre nuevos hallazgos sobre cómo hacer un monocristal, cátodo rico en níquel más resistente y más eficiente. El trabajo del equipo en el cátodo, un componente crítico en las baterías de iones de litio que son comunes en los vehículos eléctricos en la actualidad, aparece en la edición del 11 de diciembre de la revista Ciencias .

Investigadores de todo el mundo están trabajando para crear baterías que entreguen más energía, duran más y son menos costosos de producir. Las baterías de iones de litio mejoradas son fundamentales para una adopción más amplia de vehículos eléctricos.

Los desafíos son muchos. La apariencia simple de una batería oculta su complejidad, y controlar las complejas interacciones moleculares internas es esencial para que el dispositivo funcione correctamente. Las reacciones químicas constantes cobran su precio, limitar la duración de una batería e influir en su tamaño, costo y otros factores.

La promesa de un cátodo rico en níquel:más capacidad energética

Los científicos están trabajando en formas de almacenar más energía en los materiales del cátodo aumentando el contenido de níquel. El níquel está en el tablero de dibujo de los fabricantes de baterías de iones de litio en gran parte debido a su costo relativamente bajo, amplia disponibilidad y baja toxicidad en comparación con otros materiales de batería clave, como el cobalto.

"Los materiales catódicos ricos en níquel tienen un potencial real para almacenar más energía, "dijo Jie Xiao, autor correspondiente del artículo y líder de grupo del programa de investigación de baterías de PNNL. "Pero el despliegue a gran escala ha sido un desafío".

Mientras que el níquel es una gran promesa, en grandes cantidades puede plantear problemas en las baterías. Cuanto más níquel haya en la celosía del material, cuanto menos estable es el cátodo. El alto contenido de níquel puede aumentar las reacciones secundarias no deseadas. Dañando el material y dificultando mucho el almacenamiento y la manipulación.

Aprovechar todos los beneficios de más níquel y minimizar los inconvenientes plantea un desafío.

Actualmente, el cátodo rico en níquel más común está en forma de policristales, agregados de muchos nanocristales en una partícula más grande. Estos tienen ventajas para almacenar y descargar energía más rápidamente. Pero los policristales a veces se rompen durante ciclos repetidos. Esto puede dejar gran parte de la superficie expuesta al electrolito, acelerando reacciones químicas no deseadas inducidas por alto contenido de níquel y generando gas. Este daño irreversible da como resultado una batería con un cátodo rico en níquel que falla más rápido y plantea problemas de seguridad.

De monocristales, cubitos de hielo y baterías de iones de litio

Científicos como Xiao están tratando de eludir muchos de estos problemas creando un monocristal, cátodo rico en níquel. Los investigadores de PNNL desarrollaron un proceso para cultivar cristales de alto rendimiento en sales fundidas:cloruro de sodio, sal de mesa común, a alta temperatura.

¿Cuál es la ventaja de un monocristal en comparación con un material policristalino? Piense en mantener la comida fresca mientras acampa. Un bloque sólido de hielo se derrite mucho más lentamente que la misma cantidad de hielo que viene en cubitos pequeños; el bloque de hielo es más resistente al daño de temperaturas más altas y otras fuerzas externas.

Es similar con los cátodos ricos en níquel:un agregado de pequeños cristales es mucho más vulnerable a su entorno que un solo cristal en ciertas condiciones, especialmente cuando hay un alto contenido de níquel, ya que el níquel es propenso a inducir reacciones químicas no deseadas. Tiempo extraordinario, con ciclos repetidos de batería, los agregados finalmente se pulverizan, arruinando la estructura del cátodo. Eso no es tanto un problema cuando la cantidad de níquel en el cátodo es menor; en tales condiciones, un cátodo policristalino que contiene níquel ofrece alta potencia y estabilidad. El problema se vuelve más pronunciado, aunque, cuando los científicos crean un cátodo con más níquel, un cátodo verdaderamente rico en níquel.

Microfisuras de cátodo reversibles, evitable

El equipo de PNNL descubrió una razón por la cual un monocristal, El cátodo rico en níquel se descompone:se debe a un proceso conocido como deslizamiento de cristal, donde un cristal comienza a romperse, conduciendo a microgrietas. Descubrieron que el deslizamiento es parcialmente reversible bajo ciertas condiciones y han propuesto formas de evitar el daño por completo.

"Con la nueva comprensión fundamental, podremos evitar el deslizamiento y las microfisuras en el monocristal. Esto es diferente al daño en la forma policristalina, donde las partículas se pulverizan en un proceso que no es reversible, "dijo Xiao.

Resulta que los movimientos de deslizamiento dentro de las capas de celosía del cristal están en la raíz de las microfisuras. Las capas se mueven hacia adelante y hacia atrás, como cartas en una baraja mientras se barajan. El deslizamiento ocurre cuando la batería se carga y descarga:los iones de litio salen y regresan al cátodo, esforzando ligeramente el cristal cada vez. Durante muchos ciclos, el deslizamiento repetido da como resultado microgrietas.

El equipo de Xiao aprendió que el proceso puede revertirse parcialmente a través de las acciones naturales de los átomos de litio, que crean tensiones en una dirección cuando los iones entran en la red cristalina y en la dirección opuesta cuando salen. Pero las dos acciones no se cancelan completamente entre sí, y con el tiempo se producirán microgrietas. Es por eso que los monocristales finalmente fallan, aunque no se descomponen en partículas pequeñas como sus homólogos policristalinos.

El equipo está siguiendo varias estrategias para evitar el deslizamiento. Los investigadores han descubierto que el funcionamiento de la batería a un voltaje común, alrededor de 4,2 voltios, minimiza el daño mientras se mantiene dentro del rango normal de las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. El equipo también predice que mantener el tamaño de un solo cristal por debajo de 3,5 micrones puede evitar daños incluso a voltajes más altos. Y el equipo está explorando formas de estabilizar la red cristalina para adaptarse mejor a la llegada y salida de los iones de litio.

El equipo estima que el monocristal, El cátodo rico en níquel contiene al menos un 25 por ciento más de energía en comparación con las baterías de iones de litio que se utilizan en los vehículos eléctricos actuales.

Ahora, Los investigadores de PNNL dirigidos por Xiao están trabajando con Albemarle Corporation, una importante empresa de fabricación de productos químicos especializados y uno de los principales productores mundiales de litio para baterías de vehículos eléctricos. En una colaboración financiada por DOE, El equipo investigará los impactos de las sales de litio avanzadas en el rendimiento de materiales de cátodos ricos en níquel monocristalinos demostrando el proceso a escala de kilogramos.