Se fabricaron tres cátodos:uno desnudo estándar (izquierda), uno cubierto con una capa de BaTiO 3 (medio), y uno recubierto con varios BaTiO 3 nanodots (derecha). El de los nanodots mostró un rendimiento muy mejorado. Crédito:Nano Letters
Los científicos de Tokyo Tech y la Universidad de Okayama han mejorado enormemente el rendimiento de LiCoO 2 cátodos en baterías de iones de litio decorándolos con BaTiO 3 nanodots. Más importante, aclararon el mecanismo detrás de los resultados medidos, concluyendo que el BaTiO 3 Los nanodots crean una interfaz especial a través de la cual los iones de litio pueden circular fácilmente, incluso a tasas de carga / descarga muy altas.
Hoy dia, Los avances modernos en dispositivos eléctricos y vehículos han creado la necesidad de baterías mejoradas en términos de estabilidad. recargabilidad, y velocidades de carga. Si bien las baterías de iones de litio (LIB) han demostrado ser muy útiles, no es posible cargarlos lo suficientemente rápido con corrientes elevadas sin tener problemas como disminuciones repentinas de la ciclabilidad y la capacidad de salida debido a su alta resistencia intrínseca y reacciones secundarias no deseadas.
Los efectos negativos de tales reacciones no deseadas dificultan las LIB que utilizan LiCoO 2 (LCO) como material de cátodo. Uno de ellos implica la disolución de Co 4 + iones en la solución de electrolito de la batería durante los ciclos de carga / descarga. Otro efecto es la formación de una interfaz electrolítica sólida entre el material activo y el electrodo en estas baterías, lo que dificulta el movimiento de los iones de Li y, por lo tanto, degrada el rendimiento.
En un estudio anterior, Los científicos informaron que el uso de materiales con una constante dieléctrica alta, como BaTiO 3 (BTO) mejoró el rendimiento de alta velocidad de los cátodos LCO. Sin embargo, el mecanismo detrás de las mejoras observadas no estaba claro. Para arrojar luz sobre este enfoque prometedor, un equipo de científicos de Tokyo Tech, dirigido por el profesor Mitsuru Itoh, Dr. Shintaro Yasui y Sr. Sou Yasuhara, estudiaron cátodos LCO con BTO aplicado de diferentes maneras para descubrir qué sucedió en la interfaz BTO-LCO con más detalle.
El BaTiO 3 Los nanodots concentran la corriente eléctrica en un anillo a su alrededor y crean caminos a través de los cuales pueden pasar los iones de Li, incluso a tasas de carga / descarga realmente altas. Crédito:Nano Letters
El equipo creó tres cátodos LCO:uno solo, uno recubierto con una capa de BTO, y uno cubierto con nanodots BTO (Figura 1). El equipo también modeló un cátodo LCO con un solo nanodot BTO y predijo que la densidad de corriente cerca del borde del nanodot BTO era muy alta. Esta área en particular se denomina interfaz de triple fase (electrolito BTO-LCO), y su existencia mejoró enormemente el rendimiento eléctrico del cátodo cubierto con nanodots microscópicos de BTO.
Como se esperaba, después de probar y comparar los tres cátodos que prepararon, el equipo descubrió que el que tenía una capa de puntos BTO mostraba un rendimiento mucho mejor, tanto en términos de estabilidad como de capacidad de descarga. "Nuestros resultados demuestran claramente que la decoración con nanodots BTO juega un papel importante en la mejora de la ciclabilidad y la reducción de la resistencia, "afirma Itoh. Al darse cuenta de que los puntos BTO tenían un efecto crucial en la motilidad de los iones de Li en el cátodo, el equipo buscó una explicación.
Después de examinar los resultados de sus mediciones, el equipo concluyó que los nanodots BTO crean caminos a través de los cuales los iones de Li pueden intercalar / desintercalar fácilmente, incluso a tasas de carga / descarga muy altas (Figura 2). Esto es así porque el campo eléctrico se concentra alrededor de materiales con una constante dieléctrica alta. Es más, la formación de una interfaz de electrolito sólido se suprime en gran medida cerca de la interfaz de triple fase, que de otro modo daría lugar a una mala ciclabilidad. "El mecanismo por el cual se inhibe la formación de una interfaz de electrolito sólido cerca de la interfaz de triple fase aún no está claro, "comenta Itoh.
Si bien queda mucha investigación sobre este tema, los resultados son prometedores y apuntan a una nueva forma de mejorar considerablemente los LIB. Este podría ser un paso importante para satisfacer las demandas de los dispositivos modernos y futuros.
