Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) tienen una larga historia de descubrimientos innovadores con baterías de iones de litio. Muchos de estos descubrimientos se han centrado en un cátodo de batería conocido como NMC, un óxido de níquel-manganeso-cobalto. Las baterías con este cátodo ahora alimentan el Chevy Bolt.

Los investigadores de Argonne han logrado otro avance con el cátodo NMC. La nueva estructura del equipo para las micropartículas del cátodo podría conducir a baterías más duraderas y seguras capaces de operar a muy alto voltaje y alimentar vehículos para rangos de conducción más largos. Un artículo sobre esta investigación apareció en Nature Energy .

"El cátodo NMC actual ha planteado una barrera importante para la operación a alto voltaje", dijo Guiliang Xu, químico asistente. Con los ciclos de carga y descarga, el rendimiento disminuye rápidamente debido a la formación de grietas en las partículas del cátodo. Durante varias décadas, los investigadores de baterías han estado buscando formas de eliminar estas grietas.

Un enfoque anterior involucraba partículas esféricas a microescala que constaban de numerosas partículas mucho más pequeñas. Las partículas esféricas grandes son policristalinas, con regiones cristalinas orientadas de manera diferente. Como resultado, tienen lo que los científicos denominan límites de grano entre partículas, que provocan grietas en el ciclo de la batería. Para evitar esto, los colegas de Xu y Argonne habían desarrollado previamente una capa protectora de polímero alrededor de cada partícula. Este recubrimiento envuelve las partículas esféricas grandes y las más pequeñas en su interior.

Un enfoque diferente para evitar este agrietamiento involucra partículas monocristalinas. La microscopía electrónica de estas partículas indicó que no tienen límites.

El problema al que se enfrentó el equipo fue que los cátodos fabricados tanto con policristales revestidos como con monocristales aún formaban grietas con el ciclo. Por lo tanto, sometieron estos materiales de cátodo a análisis exhaustivos en las instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne.

Se llevaron a cabo diferentes análisis de rayos X en cinco líneas de luz APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C y 34-ID-E). Resultó que lo que los científicos creían que eran monocristales, como lo demuestra la microscopía electrónica y de rayos X, en realidad tenían límites en su interior. Las microscopías electrónicas de barrido y de transmisión del CNM verificaron el hallazgo.

"Cuando observamos la morfología de la superficie de estas partículas, parecen cristales individuales", dijo el físico Wenjun Liu. "Pero cuando usamos una técnica llamada microscopía de difracción de rayos X sincrotrón y otras técnicas en el APS, encontramos límites ocultos en el interior".

Es importante destacar que el equipo desarrolló un método para producir monocristales sin límites. Las pruebas de celdas pequeñas con tales cátodos monocristalinos a muy alto voltaje mostraron un aumento del 25 % en el almacenamiento de energía por unidad de volumen, casi sin pérdida de rendimiento durante 100 ciclos de prueba. Por el contrario, durante el mismo ciclo de vida, la capacidad se redujo entre un 60 % y un 88 % en los cátodos NMC compuestos de monocristales con muchos límites internos o con policristales revestidos.

Los cálculos a escala atómica revelaron el mecanismo detrás de la disminución de la capacidad en el cátodo. Según la nanocientífica Maria Chan en CNM, en comparación con las regiones alejadas de ellos, los límites son más vulnerables a la pérdida de átomos de oxígeno cuando se carga la batería. Esta pérdida de oxígeno conduce a la degradación con el ciclo celular.

"Nuestros cálculos mostraron cómo los límites conducen a la liberación de oxígeno a alto voltaje y, por lo tanto, a la disminución del rendimiento", dijo Chan.

La eliminación de los límites evita la liberación de oxígeno y, por lo tanto, mejora la seguridad y la estabilidad del cátodo con el ciclo. Las mediciones de liberación de oxígeno en APS y la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE respaldaron este hallazgo.

"Ahora tenemos pautas que los fabricantes de baterías pueden usar para preparar material de cátodo sin límites y que funcione con alto voltaje", dijo Khalil Amine, miembro distinguido de Argonne. "Y las pautas deberían aplicarse a otros materiales de cátodo además de NMC". + Explora más

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