Los investigadores han descubierto que el movimiento irregular de los iones de litio en los materiales de las baterías de próxima generación podría estar reduciendo su capacidad y obstaculizando su rendimiento.
El equipo, dirigido por la Universidad de Cambridge, rastreó en tiempo real el movimiento de los iones de litio dentro de un nuevo y prometedor material para baterías.
Se suponía que el mecanismo por el cual los iones de litio se almacenan en los materiales de la batería es uniforme en todas las partículas activas individuales. Sin embargo, el equipo dirigido por Cambridge descubrió que durante el ciclo de carga y descarga, el almacenamiento de litio es cualquier cosa menos uniforme.
Cuando la batería está cerca del final de su ciclo de descarga, las superficies de las partículas activas se saturan de litio mientras que sus núcleos son deficientes en litio. Esto da como resultado la pérdida de litio reutilizable y una capacidad reducida.
La investigación, financiada por la Institución Faraday, podría ayudar a mejorar los materiales de las baterías existentes y podría acelerar el desarrollo de baterías de próxima generación. Los resultados se publican en Joule.
Los vehículos eléctricos (VE) son vitales en la transición hacia una economía sin emisiones de carbono. La mayoría de los vehículos eléctricos que circulan hoy en día funcionan con baterías de iones de litio, debido en parte a su alta densidad de energía.
Sin embargo, a medida que el uso de vehículos eléctricos se vuelve más generalizado, el impulso por rangos más largos y tiempos de carga más rápidos significa que los materiales de las baterías actuales deben mejorarse y es necesario identificar nuevos materiales.
Algunos de los más prometedores de estos materiales son materiales de electrodos positivos de última generación conocidos como óxidos ricos en níquel de litio en capas, que se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos premium. Sin embargo, sus mecanismos de trabajo, particularmente el transporte de iones de litio en condiciones operativas prácticas, y cómo esto se relaciona con su rendimiento electroquímico, no se comprenden completamente, por lo que aún no podemos obtener el máximo rendimiento de estos materiales.
Al rastrear cómo la luz interactúa con las partículas activas durante el funcionamiento de la batería bajo un microscopio, los investigadores observaron diferencias claras en el almacenamiento de litio durante el ciclo de carga y descarga en el óxido de cobalto y manganeso rico en níquel (NMC).
«Esta es la primera vez que esta falta de uniformidad en el almacenamiento de litio se observa directamente en partículas individuales», dijo la coautora Alice Merryweather, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge. «Las técnicas en tiempo real como las nuestras son esenciales para capturar esto mientras la batería está en ciclo».
Combinando las observaciones experimentales con el modelado por computadora, los investigadores encontraron que la falta de uniformidad se origina en cambios drásticos en la tasa de difusión de iones de litio en NMC durante el ciclo de carga y descarga. Específicamente, los iones de litio se difunden lentamente en partículas de NMC completamente litiadas, pero la difusión aumenta significativamente una vez que se extraen algunos iones de litio de estas partículas.
«Nuestro modelo proporciona información sobre el rango en el que varía la difusión de iones de litio en NMC durante las primeras etapas de carga», dijo el coautor principal, el Dr. Shrinidhi S. Pandurangi, del Departamento de Ingeniería de Cambridge. «Nuestro modelo predijo con precisión las distribuciones de litio y capturó el grado de heterogeneidad observado en los experimentos. Estas predicciones son clave para comprender otros mecanismos de degradación de la batería, como la fractura de partículas».
Es importante destacar que la heterogeneidad del litio que se observa al final de la descarga establece una de las razones por las que los materiales catódicos ricos en níquel suelen perder alrededor del diez por ciento de su capacidad después del primer ciclo de carga y descarga.
«Esto es significativo, considerando un estándar industrial que se utiliza para determinar si una batería debe retirarse o no, cuando ha perdido el 20 por ciento de su capacidad», dijo el coautor principal, el Dr. Chao Xu, de la Universidad ShanghaiTech.
Los investigadores ahora están buscando nuevos enfoques para aumentar la densidad de energía práctica y la vida útil de estos prometedores materiales para baterías.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Cambridge. El texto original de esta historia está licenciado bajo un Licencia Creative Commons. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
