Liberación de oxígeno de los materiales de la batería que puede provocar una fuga térmica. Crédito:Takashi Nakamura
Un grupo de investigación ha producido nuevos conocimientos sobre la liberación de oxígeno en las baterías de iones de litio, allanando el camino para baterías de alta densidad de energía más robustas y seguras.
Las baterías de próxima generación que almacenan más energía son fundamentales para que la sociedad pueda alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU y lograr la neutralidad de carbono. Sin embargo, cuanto mayor sea la densidad de energía, cuanto mayor sea la probabilidad de fuga térmica, el sobrecalentamiento de las baterías que a veces puede provocar la explosión de una batería.
El oxígeno liberado del material activo del cátodo es un desencadenante de la fuga térmica, sin embargo, nuestro conocimiento de este proceso es insuficiente.
Investigadores de la Universidad de Tohoku y el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI) investigaron el comportamiento de liberación de oxígeno y relacionaron los cambios estructurales del material del cátodo para baterías de iones de litio LiNi 1/3 Co 1/3 Minnesota 1/3 O 2 (NCM111). NCM111 actuó como un modelo de material de batería a base de óxido a través de titulación culombimétrica y difracciones de rayos X.
Los investigadores descubrieron que NCM111 acepta un 5% en moles de liberación de oxígeno sin descomponerse y que la liberación de oxígeno induce un desorden estructural. el intercambio de Li y Ni.
Cuando se libera oxígeno, reduce los metales de transición (Ni, Co y Mn en NCM111), disminuyendo su capacidad para mantener una carga equilibrada en los materiales.
Para evaluar esto, El grupo de investigación utilizó espectroscopía de absorción de rayos X suave en BL27SU SPring-8, una instalación de radiación de sincrotrón a gran escala operada por JASRI en Japón.
Observaron Ni selectivo 3+ reducción de NCM111 en la etapa inicial de liberación de oxígeno. Una vez finalizada la reducción de Ni, Co 3+ disminuido, mientras Mn 4+ permaneció invariante durante el 5% molar de liberación de oxígeno.
"Los comportamientos de reducción sugieren fuertemente que la alta valentía NI (Ni 3+ ) mejora significativamente la liberación de oxígeno, "dijo Takashi Nakamura, coautor del artículo.
Para probar esta hipótesis, Nakamura y sus colegas prepararon NCM111 modificado que contenía más Ni 3+ que el NCM111 original. Para su sorpresa, descubrieron que el NCM111 exhibía una liberación de oxígeno mucho más severa de lo esperado.
Basado en esto, el grupo de investigación propuso que los metales de transición de alta valencia desestabilizan el oxígeno de la red en los materiales de las baterías a base de óxido.
"Nuestros hallazgos contribuirán al desarrollo de baterías de próxima generación de alta densidad de energía y robustas compuestas de óxidos de metales de transición, "dijo Nakamura.
