Investigadores de la Universidad Estatal de Boise han desarrollado un nuevo enfoque para fabricar nuevos materiales para baterías de iones de litio. Partiendo de un óxido de niobio amorfo (es decir, un material que carece de un orden de largo alcance), el equipo descubrió que el mismo acto de reciclar el material con litio induce una transformación en un nuevo Nb₂ cristalino. O₅ ánodo con excepcional almacenamiento de Li y ciclos rápidos. Este proceso se puede utilizar potencialmente para fabricar otros materiales para baterías de iones de litio que no se pueden fabricar fácilmente por medios tradicionales.

El estudio, dirigido conjuntamente por investigadores en los laboratorios de Hui (Claire) Xiong, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Boise, y Shyue Ping Ong, profesor de nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego, se publicó en Materiales de la naturaleza .

El descubrimiento de nuevos materiales para las baterías de iones de litio ha adquirido una urgencia renovada. Impulsado por el aumento de los precios de la gasolina, ha habido un aumento en la demanda de vehículos eléctricos (EV) y, con ella, de las baterías de iones de litio que los alimentan. Sin embargo, las baterías de iones de litio actuales siguen siendo demasiado caras y se cargan con demasiada lentitud.

"Las baterías de iones de litio son la tecnología líder para el mercado de baterías recargables, pero también hay un aumento en la demanda de que la batería tenga alta energía y tiempos de carga más rápidos", dijo Pete Barnes, Ph.D. ex alumno del Laboratorio de Materiales de Energía Electroquímica de Xiong en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Micron y autor principal del trabajo. "Si desea cargar su EV durante 15 minutos y luego salir a la carretera durante las próximas 200 o 300 millas, necesita nuevos electrodos de batería que puedan cargarse a un ritmo muy rápido sin mucha pérdida de rendimiento".

Uno de los mayores cuellos de botella para la carga de las baterías de iones de litio actuales es el ánodo. El ánodo más común está hecho de grafito, que es muy denso en energía, pero no se puede cargar demasiado rápido debido al riesgo de incendio y explosiones de un proceso conocido como recubrimiento de metal de litio. Óxidos metálicos de intercalación, como la sal de roca Nb₂ O₅ El material descubierto por el equipo son alternativas de ánodo prometedoras debido al riesgo reducido del recubrimiento de litio a voltajes bajos.

Para crear el nuevo material del ánodo, el grupo de Xiong desarrolló una nueva técnica innovadora llamada transformación de amorfo a cristalino inducida electroquímicamente. El nuevo electrodo puede lograr un alto almacenamiento de litio de 269 mAh/g a una tasa de carga de 20 mA/g y, lo que es más importante, sigue conservando una alta capacidad de 191 mAh/g a una alta tasa de carga de 1 A/g.

"El aspecto más emocionante de este trabajo es el descubrimiento de un enfoque completamente nuevo para crear nuevos electrodos de batería de iones de litio", dijo Xiong. "El truco consiste en comenzar desde una fase de mayor energía, como un material amorfo. Simplemente reciclar el material con litio nos permite crear nuevos arreglos cristalinos que muestren propiedades mejoradas más allá de las obtenidas por medios tradicionales, como las reacciones de estado sólido". /P>

El rendimiento excepcional del ánodo se debe a su estructura desordenada de sal de roca o DRX, que es como la sal común de cocina pero con los átomos de Li y Nb dispuestos de forma aleatoria. Si bien los materiales del cátodo DRX son bien conocidos, los ánodos DRX son relativamente raros. Usando técnicas computacionales, Yunxing Zuo, Ph.D. ex alumno del Laboratorio virtual de materiales de Ong en UC San Diego, mostró que el proceso de inserción de Li en Nb₂ amorfo O₅ permite a los científicos de materiales acceder a materiales metaestables. El equipo también desarrolló una métrica para identificar otros óxidos metálicos que potencialmente pueden sintetizarse de manera similar. Los cálculos también muestran que la estructura DRX contiene rutas para la difusión rápida de litio, lo que da como resultado un rendimiento de alta velocidad.

"Creemos que este trabajo es simplemente el comienzo de una forma completamente nueva de pensar sobre la síntesis de materiales", dijo Ong. "A los átomos les gusta organizarse de ciertas maneras. Cuando fabricamos materiales de la manera tradicional, generalmente obtenemos los mismos arreglos una y otra vez. Este nuevo enfoque abre una vía prometedora para crear otros óxidos metálicos no convencionales".

El equipo también colaboró ​​con los Dres. Sungsik Lee, Justin Connell, Hua Zhou y Yuzi Liu del Laboratorio Nacional de Argonne, Profs. Paul Davis, Paul Simmonds y el Dr. Darin Schwartz de Boise State, y los Dres. Yingge Du y Zihua Zhu del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. + Explora más

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