El inventor de las baterías de litio consigue aumentar su capacidad gracias a un nuevo recubrimiento y acaba así con un problema de hace 40 años

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Fuente: https://elperiodicodelaenergia.com

A fines de la década de 1970, M. Stanley Whittingham fue el primero en describir el concepto de baterías recargables de iones de litio, un logro por el que compartiría el Premio Nobel de Química de 2019. Sin embargo, ni siquiera él podría haber anticipado los complejos desafíos de la ciencia de los materiales que surgirían a medida que estas baterías llegaran a alimentar los dispositivos electrónicos portátiles del mundo.

Un problema técnico persistente es que cada vez que se instala una nueva batería de iones de litio en un dispositivo, se pierde hasta una quinta parte de su capacidad de energía antes de que el dispositivo pueda recargarse por primera vez. Eso es cierto ya sea que la batería esté instalada en una computadora portátil, una cámara, un reloj de pulsera o incluso en un vehículo eléctrico nuevo.

La causa son las impurezas que se forman en los cátodos ricos en níquel, el lado positivo (+) de una batería a través del cual se descarga la energía almacenada.

Para encontrar una manera de retener la capacidad perdida, Whittingham dirigió un grupo de investigadores que incluía a sus colegas de la Universidad Estatal de Nueva York en Binghamton (SUNY Binghamton) y científicos del Departamento de Energía (DOE) de Brookhaven (BNL) y Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL). El equipo usó rayos X y neutrones para probar si el tratamiento de un material de cátodo líder (un material en capas de níquel-manganeso-cobalto llamado NMC 811) con un óxido de niobio sin litio conduciría a una batería de mayor duración.

Los resultados del estudio, “ ¿Cuál es el papel del Nb en los cátodos de óxido en capas ricas en níquel para baterías de iones de litio? ”Aparecen en ACS Energy Letters.

«Probamos NMC 811 en un material de cátodo de óxido en capas después de predecir que el óxido de niobio libre de litio formaría una capa de óxido de niobio de litio de tamaño nanométrico en la superficie que conduciría los iones de litio y les permitiría penetrar en el material del cátodo», dijo Whittingham, ahora un distinguido profesor de SUNY y director del Northeast Center for Chemical Energy Storage (NECCES), un centro de investigación energética del DOE dirigido por SUNY Binghamton.

Las baterías de litio tienen cátodos hechos de capas alternas de litio y materiales de óxido ricos en níquel (compuestos químicos que contienen al menos un átomo de oxígeno), porque el níquel es relativamente económico y ayuda a proporcionar una mayor densidad de energía y una mayor capacidad de almacenamiento a un costo menor que otros metales.

Pero el níquel en los cátodos es relativamente inestable y por lo tanto reacciona fácilmente con otros elementos, dejando la superficie del cátodo cubierta de impurezas indeseables que reducen la capacidad de almacenamiento de la batería en un 10-18% durante su primer ciclo de carga-descarga. El níquel también puede causar inestabilidad en el interior de la estructura del cátodo, lo que reduce aún más la capacidad de almacenamiento durante períodos prolongados de carga y descarga.

Para comprender cómo afecta el niobio a los materiales de cátodos ricos en níquel, los científicos realizaron estudios de difracción de polvo de neutrones en el difractómetro de materiales de ingeniería VULCAN en el ORNL. Midieron los patrones de difracción de neutrones de muestras modificadas con niobio y NMC 811 puro.

“Los neutrones penetraron fácilmente en el material del cátodo para revelar dónde estaban ubicados los átomos de niobio y litio, lo que proporcionó una mejor comprensión de cómo funciona el proceso de modificación del niobio”, dijo Hui Zhou, gerente de instalaciones de baterías en NECCES. «Los datos de dispersión de neutrones sugieren que los átomos de niobio estabilizan la superficie para reducir la pérdida del primer ciclo, mientras que a temperaturas más altas, los átomos de niobio desplazan algunos de los átomos de manganeso más profundamente dentro del material del cátodo para mejorar la capacidad de retención a largo plazo».

Los resultados del experimento mostraron una reducción en la pérdida de capacidad del primer ciclo y una retención de capacidad a largo plazo mejorada de más del 93 por ciento en 250 ciclos de carga y descarga.

“Las mejoras observadas en el rendimiento electroquímico y la estabilidad estructural hacen que el NMC 811 modificado con niobio sea un candidato como material de cátodo para su uso en aplicaciones de mayor densidad de energía, como los vehículos eléctricos”, dijo Whittingham. “Combinar un recubrimiento de niobio con la sustitución de átomos de manganeso por átomos de niobio puede ser una mejor manera de aumentar tanto la capacidad inicial como la retención de la capacidad a largo plazo. Estas modificaciones se pueden ampliar fácilmente utilizando los actuales procesos de fabricación de varios pasos para materiales NMC «.

Whittingham agregó que la investigación respalda los objetivos del Consorcio Battery500 , un programa de múltiples instituciones dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE para la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE. El programa está trabajando para desarrollar celdas de batería de metal de litio de próxima generación que entreguen hasta 500 vatios hora por kilogramo en comparación con el promedio actual de aproximadamente 220 vatios hora por kilogramo.

La investigación fue apoyada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables del DOE, la Oficina de Tecnologías de Vehículos, y utilizó recursos en la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II de BNL (NSLS-II) y en el ORNL.

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