Investigadores liderados por un equipo de la Universidad de California en San Diego han publicado un trabajo en la revista. Energía de la naturaleza eso explica qué está causando el "desvanecimiento de voltaje" que reduce el rendimiento y que actualmente afecta a una clase prometedora de materiales de cátodos llamados óxidos en capas NMC (níquel, magnesio y cobalto) ricos en litio.

Estos materiales de cátodos han atraído una atención considerable a lo largo de los años como componentes prometedores para mejores baterías recargables para vehículos eléctricos.

Después de que una batería pasa por una serie de ciclos de carga y descarga, su voltaje se desvanece y la cantidad de energía que puede contener, y soltar más tarde para su uso, también se desvanece. La nueva investigación explica por qué sucede esto en materiales de cátodos NMC ricos en litio. En particular, Los investigadores identificaron defectos o dislocaciones a nanoescala en materiales de cátodos NMC ricos en litio, ya que las baterías se cargaban en un rango de voltajes que iban hasta 4,7 voltios.

"Las dislocaciones son capas atómicas adicionales que no encajan en la estructura cristalina perfectamente periódica, "dijo Andrej Singer, el autor principal que realizó este trabajo como investigador postdoctoral en UC San Diego. "Descubrir estas dislocaciones fue una gran sorpresa:en todo caso, esperábamos que las capas atómicas adicionales ocurrieran en una orientación completamente diferente, "dijo Singer, que ahora forma parte de la facultad de la Universidad de Cornell. Combinando evidencia experimental con teoría, el equipo de investigación concluyó que la nucleación de este tipo específico de dislocación da como resultado un desvanecimiento de voltaje.

Conociendo el origen del desvanecimiento de voltaje, el equipo demostró que el tratamiento térmico de los materiales del cátodo eliminó la mayoría de los defectos y restauró el voltaje original. Pusieron los cátodos tratados térmicamente en baterías nuevas y las probaron en un rango de voltajes que iban hasta 4,7 voltios, demostrando que el desvanecimiento de voltaje se había invertido.

Si bien el enfoque de tratamiento térmico para revertir los defectos requiere mucha mano de obra y no es probable que se escale, el enfoque basado en la física y la ciencia de los materiales para caracterizar y luego abordar los defectos de nanoescala ofrece la promesa de encontrar nuevas soluciones al problema de la pérdida de voltaje.

"Nuestro artículo trata principalmente de desvelar el misterio de las dislocaciones que causan el desvanecimiento de voltaje en los NMC ricos en litio. Todavía no tenemos una solución escalable para resolver el problema del desvanecimiento de voltaje en los NMC ricos en litio, pero estamos avanzando, ", dijo la profesora de nanoingeniería de UC San Diego Shirley Meng. Ella y el profesor de física de UC San Diego Oleg Shpyrko son los autores principales de la nueva Energía de la naturaleza papel.

"Uno de los problemas más graves de los materiales de cátodo NMC ricos en litio es el desvanecimiento del voltaje, "dijo el autor del artículo Minghao Zhang, un recién graduado del Ph.D. en nanoingeniería. programa en UC San Diego Jacobs School of Engineering, donde ahora es investigador postdoctoral.

El desvanecimiento de voltaje reduce la densidad de energía de la batería, lo que a su vez limita las aplicaciones prácticas de estos materiales a pesar de su alta densidad energética en los ciclos iniciales de carga-descarga.

"Nuestro trabajo demuestra claramente por primera vez que la generación de defectos y la acumulación de defectos en la estructura de los materiales NMC ricos en litio son el origen del desvanecimiento de voltaje, ", dijo Zhang." Basado en esta explicación, diseñamos un régimen de tratamiento térmico y luego demostramos que los tratamientos térmicos eliminaron los defectos en la estructura general y restauraron el voltaje de salida de la batería ".

Fijación de los detalles de la batería

"Las soluciones de ingeniería deben basarse en ciencia sólida. Si no sabe lo que está pasando, entonces sus estrategias de mitigación son menos efectivas. Y creo que eso es lo que ha obstaculizado este material, "dijo la profesora de nanoingeniería de UC San Diego Shirley Meng, refiriéndose a la falta de claridad de larga data sobre lo que está sucediendo a nanoescala que está causando el desvanecimiento de voltaje en estos prometedores materiales de cátodos.

Meng, Shpyrko y sus respectivos laboratorios y colaboradores son expertos en imágenes, caracterizar y calcular lo que está sucediendo con las baterías, a nanoescala, mientras se cargan. Su experiencia combinada permite al equipo obtener conocimientos sin precedentes de los datos de imágenes de rayos X de las baterías mientras se cargan.

"Ser capaz de obtener imágenes directamente de la estructura de materiales y dispositivos en condiciones de funcionamiento y con resolución a nanoescala es uno de los grandes desafíos en nuestra búsqueda para diseñar y descubrir nuevos materiales funcionales, ", dijo Oleg Shpyrko, profesor de física de UC San Diego." Los esfuerzos de nuestro grupo en el desarrollo de nuevas técnicas de imágenes de rayos X están dirigidos a la comprensión fundamental y, en última instancia, al control de la formación de defectos. Nuestro en funcionamiento los estudios de imágenes indican formas novedosas de mitigar el desvanecimiento de voltaje en los materiales de almacenamiento de energía de próxima generación ".

Esta colaboración es parte del trabajo interdisciplinario del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego, donde Shirley Meng se desempeña como directora, y Oleg Shpyrko se desempeña como codirector. La investigación en el Centro de Energía y Energía Sostenible se extiende desde la investigación teórica a través de experimentos y caracterización de materiales hasta las pruebas en el mundo real de dispositivos en la microrred del campus.

Detalles de la investigación

En el Energía de la naturaleza papel, los autores escriben:"Capturamos directamente la nucleación de una red de dislocación en nanopartículas primarias de un material LRLO de alta capacidad [un cátodo NMC rico en litio] durante la carga electroquímica. Basado en el descubrimiento de la formación de defectos y los primeros cálculos de principios, identificamos el origen del desvanecimiento de voltaje, permitiéndonos diseñar y demostrar experimentalmente un tratamiento innovador para restaurar voltaje en LRLO ".

los en el lugar Técnica de imagen difractiva coherente de Bragg, realizado en el Laboratorio Nacional de Argonne, permite a los investigadores obtener imágenes directamente del interior de una nanopartícula durante la carga de la batería. Los análisis y reconstrucciones de estos datos por parte del equipo ofrecen información sin precedentes sobre lo que realmente está sucediendo mientras las baterías se están cargando. Los investigadores realizaron una serie de estudios de observación mientras los materiales de la batería se cargaban en un rango de voltajes que iban desde 4 voltios hasta 4,7 voltios. A 4,4 voltios, los investigadores identificaron una serie de defectos que incluyen borde, tornillo y luxaciones mixtas.

Los investigadores también estudiaron materiales NMC no ricos en litio comercializados actualmente y encontraron defectos, pero significativamente menos; y no se produjeron nuevos defectos por encima de 4,2 voltios en los materiales NMC no ricos en litio.

"Con esta publicación, Esperamos abrir un nuevo paradigma para que los científicos de materiales reconsideren cómo diseñar y optimizar esta clase de materiales para el almacenamiento de energía. Todavía requiere mucho más trabajo y muchas contribuciones del campo para finalmente resolver el problema, ", dijo Meng. Tiene la Cátedra Dotada de Zable en Tecnologías Energéticas en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.

Mirando al estado sólido

La investigación descrita en el Energía de la naturaleza el papel podría eventualmente conducir a nuevos materiales de cátodos para baterías de estado sólido. Muchos investigadores, incluyendo a Meng, Considere que las baterías de estado sólido son uno de los enfoques de baterías del futuro más prometedores. Cátodos NMC ricos en litio, por ejemplo, operan a alto voltaje y, por lo tanto, eventualmente podrían emparejarse con electrolitos de estado sólido, que también operan a alto voltaje. Gran parte del interés en las baterías de estado sólido proviene del hecho de que se cree que los electrolitos de estado sólido son más seguros que los electrolitos líquidos tradicionales utilizados en las baterías recargables de iones de litio.