Un grupo de investigadores identifica las razones de la degradación del cátodo en las baterías de litio. Resultado, precios más asequibles y mejor rendimiento

Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven, el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, en colaboración con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, han confirmado la identificación de las causas de la degradación en uno de los materiales que da forma al cátodo de las baterías de litio, así como la forma de solucionarlo.

Estos descubrimientos según los responsables del proyecto, permitirá el desarrollo de baterías para coches eléctricos cada vez más asequibles, y que además logren un mejor rendimiento tanto en capacidad como en vida útil.

Las baterías están compuestas por un ánodo, un cátodo y un electrolito, pero muchos científicos consideran que el cátodo es el mayor reto al que se enfrenta la industria, y el más urgente. Los investigadores están trabajando en lograr un sistema que logre triplicar la densidad energética de las actuales baterías de litio, y esperan lograrlo optimizando una clase de materiales del cátodo llamados materiales en capas ricas en níquel.

Según el equipo de desarrollo: «Los materiales en capas son muy atractivos porque son relativamente fáciles de sintetizar, pero también porque tienen una alta capacidad y densidad de energía»

El óxido de cobalto de litio es un material en capas que se ha utilizado como cátodo para baterías de litio durante muchos años. A pesar de su aplicación exitosa en sistemas de almacenamiento de energía en pequeños dispositivos, como la electrónica portátil, cuenta con una importante dependencia de materiales como el cobalto, extremadamente costosos y con un fuerte impacto medioambiental. Algo que está llevando a los grupos de investigación a buscar alternativas que no usen este mineral.

«Elegimos un material en capas rico en níquel porque el níquel es menos costoso y tóxico que el cobalto. Sin embargo, el problema es que los materiales en capas ricos en níquel comienzan a degradarse después de múltiples ciclos de carga y descarga. Nuestro objetivo es identificar la causa de esta degradación y ofrecer posibles soluciones«.

Los materiales catódicos pueden degradarse de varias maneras. Para los materiales ricos en níquel, el problema es principalmente la reducción de su capacidad provocada por los procesos de carga y descarga de la batería.

En los primeros resultados, los técnicos de este proyecto han podido comprobar que se trata de un material muy complejo. Sus propiedades pueden cambiar en diferentes escalas de longitud durante el ciclismo. Algo que les ha llevado a estudiar cómo cambiaba la estructura del material durante el proceso de carga y descarga, tanto físicamente, química, como en la escala atómica, lo que involucraba múltiples elementos: níquel, cobalto, manganeso, oxígeno y litio.

Los resultados de los experimentos llevaron a los investigadores a concluir que el material en capas rico en níquel tenía una estructura robusta que no liberaba oxígeno. En cambio, los investigadores identificaron que la tensión y el trastorno local se asociaban principalmente con el níquel.

La principal conclusión que ha extraído el equipo después de múltiples pruebas, ha sido que había considerables inhomogeneidades en los estados de oxidación de los átomos de níquel en toda la partícula. Algún níquel dentro de la partícula mantuvo un estado oxidado, y probablemente se desactivó, mientras que el níquel en la superficie se redujo irreversiblemente, disminuyendo su eficiencia.

Experimentos adicionales revelaron que también se formaron pequeñas grietas dentro de la estructura del material. Durante el proceso de carga y descarga de una batería, el material del cátodo se expande y se contrae, estresándose. Si esa tensión puede liberarse rápidamente, entonces no causa un problema, pero si no puede liberarse de manera eficiente, pueden producirse grietas.

Los científicos piensan que posiblemente se podría mitigar este problema sintetizando un nuevo material con una estructura hueca. Ellos probaron y confirmaron esa teoría experimentalmente, así como a través de cálculos. En el futuro, el equipo planea continuar desarrollando y caracterizando nuevos materiales para mejorar su eficiencia.

Fuente | Bnl.gov/newsroom