Se ha llegado a un consenso sobre la necesidad de reemplazar los combustibles fósiles con fuentes de energía renovables y la mayoría de los países del mundo se comprometieron a alcanzar la neutralidad de carbono antes de 2050. Esto implicará disminuir el CO₂ las emisiones y la expansión de la proporción de fuentes de energía renovable, como los sistemas de baterías recargables, como las baterías de iones de litio, que han recibido una gran atención por parte de la industria y la academia. Aún así, los desafíos en el desarrollo de LIB de próxima generación con un rendimiento mejorado siguen existiendo debido a las limitaciones de rendimiento de los materiales de electrodos que se utilizan actualmente. Para su Ph.D. investigación, Ming Jiang analizó el diseño del material de los electrodos y los mecanismos de degradación en baterías basadas en cátodos ricas en níquel.

El cuello de botella para aumentar la densidad de energía de las baterías de iones de litio (LIB) es el material del cátodo de la batería. Por ejemplo, los óxidos de metales de transición estratificados ricos en Ni (ricos en níquel) tienen una densidad de energía relativamente alta pero sufren una mala estabilidad de ciclo. La inestabilidad de las LIB basadas en cátodos ricos en Ni está asociada con varias reacciones pasivas que ocurren dentro de las baterías.

Morfología de nanoestructuras

Las estrategias de optimización de materiales pueden mitigar estos perjuicios. Para su Ph.D. investigación, Ming Jiang consideró el diseño del material de los electrodos y los mecanismos de degradación de las baterías basadas en cátodos ricas en Ni. Los cátodos NCM ricos en Ni y los ánodos de metal de litio con un rendimiento superior de la batería se logran a través de estas novedosas estrategias de optimización. Se investigan los fenómenos de degradación correspondientes y se identifican los mecanismos detallados.

Jiang diseñó un material de cátodo optimizado rico en Ni con morfología de nanoestructura. Con este diseño, la estabilidad de la batería y la cinética de transporte de iones de litio se mejoran a través de un método de fabricación único. Otras caracterizaciones afirman una alta relación de exposición de facetas de cristal específicas, lo que es beneficioso para la difusión de iones de litio y la integridad estructural durante el ciclo. Además, la capacidad mejorada de carga rápida también se ha logrado gracias a la morfología bien diseñada, lo que sugiere un potencial práctico del material propuesto.

Procesos de deterioro

Además de la síntesis de nuevos materiales, Jiang investigó los procesos de deterioro en los sistemas de baterías, ya que esto es esencial para impulsar el desarrollo de LIB. Múltiples reacciones pasivas ocurren simultáneamente en una batería, como la disolución del cátodo, la formación de interfase de electrolito sólido y el microagrietamiento. Estas reacciones secundarias consumen iones de litio activos y materiales de electrodos, lo que eventualmente hace que la capacidad de la batería disminuya.

Cada parte de un sistema de batería puede participar en reacciones pasivas, incluidos los materiales de los electrodos, los aglutinantes, el carbón conductor y otros aditivos. Sin embargo, es difícil separar cada parte durante un estudio post-mortem para una configuración de batería convencional. Por lo tanto, Jiang propuso un cátodo de película delgada con una estructura simplificada para la investigación de la degradación en el sistema de batería de cátodo rico en Ni. Con la técnica de perfilado en profundidad, se ha estudiado en detalle la composición de la capa pasiva y el mecanismo de disminución del rendimiento. También se ha investigado la función de la capa protectora del cátodo rico en Ni.

Además de estudiar el material del cátodo, Jiang también exploró la modificación de la superficie del ánodo de metal de litio en LIB basados ​​en cátodos ricos en Ni. Se introduce una capa protectora para estabilizar el proceso de recubrimiento/desprendimiento de litio durante el ciclo. Esto permite prolongar la vida útil de la batería y mitiga la formación de capas pasivas en la superficie del ánodo. Las caracterizaciones post mortem revelan los diferentes procesos de deterioro de varios ánodos de metal de litio, y en la investigación se estudia el posible mecanismo de degradación. + Explora más

Los aditivos de electrolitos reactivos mejoran el rendimiento de las baterías de metal de litio