Un equipo de investigación formado por el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) y SoftBank Corp. ha descubierto que la histéresis de voltaje en Li2 RuO3 —un material del cátodo de batería recargable de alta densidad de energía—es causado por diferencias en las fases cristalinas intermedias formadas durante los procesos de carga y descarga. El estudio se publica en Materiales de almacenamiento de energía. .
La histéresis de voltaje es un fenómeno perjudicial para las baterías de iones de litio (Li) en las que el voltaje de descarga se vuelve significativamente más bajo que el voltaje de carga. Estos resultados revelaron un mecanismo que causa histéresis de voltaje inconsistente con la teoría convencional.
Los materiales de electrodos ricos en Li son capaces de almacenar mayores cantidades de iones de Li que los materiales de cátodos de baterías de iones de Li convencionales (por ejemplo, LiCoO2). ), y los iones de Li se pueden extraer e insertar de manera estable en ellos. Además, la capacidad energética de estos materiales (> 300 mAh/g) es aproximadamente el doble que la de los materiales catódicos convencionales.
Debido a estas características deseables, se han investigado materiales de electrodos ricos en Li como candidatos viables para materiales catódicos de baterías de iones de litio de alta densidad de energía de próxima generación. Sin embargo, también tienen una desventaja:baja eficiencia energética de carga/descarga debido a la gran histéresis de voltaje que se produce durante la carga y descarga.
La comunidad científica ha aceptado ampliamente que la histéresis de voltaje en materiales de electrodos ricos en Li resulta de cambios irreversibles en sus estructuras cristalinas durante la carga y descarga. Este equipo de investigación se centró en Li2 RuO3 como modelo de material de electrodo rico en Li y observó de cerca los cambios en su estructura cristalina mientras se cargaba y descargaba.
Se descubrió que su estructura cristalina cambiaba de forma reversible, no irreversible:recuperó su estructura cristalina de precarga inicial al final de la descarga posterior. Durante este ciclo de carga/descarga, se observó histéresis de voltaje en Li2 RuO3 a pesar de la ausencia de cambios irreversibles en la estructura cristalina, un resultado contrario a la teoría convencional.
Luego, el equipo analizó de cerca los cambios en la estructura cristalina en un Li2. RuO3 electrodo mientras se cargaba y descargaba utilizando varios instrumentos analíticos avanzados. Estos análisis revelaron una discrepancia en la fase cristalina intermedia formada durante los procesos de carga y descarga que causan la histéresis de voltaje. En otras palabras, la histéresis de voltaje dentro de un material de electrodo rico en Li parece atribuirse a diferentes vías de reacción en lugar de cambios irreversibles en la estructura cristalina.
Con base en estos resultados, el equipo de investigación planea evaluar materiales de electrodos ricos en Li mientras se concentra en las vías de reacción química durante los ciclos de carga y descarga, además de medir la histéresis de voltaje. Se espera que este enfoque acelere el desarrollo de materiales de electrodos ricos en Li que satisfagan los requisitos de alta capacidad y alta eficiencia energética de carga/descarga.
Más información: Marcela Calpa et al, Histéresis de voltaje oculta en una vía de reacción asimétrica, Materiales de almacenamiento de energía (2023). DOI:10.1016/j.ensm.2023.103051
Proporcionado por el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales
