Un nuevo cátodo LMR que minimiza la caída de voltaje en Li

Característica del 7 de agosto de 2023

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Las baterías de iones de litio (LiB), baterías recargables que almacenan energía aprovechando la reducción reversible de los iones de Li, siguen estando entre las tecnologías de baterías más utilizadas en todo el mundo. Estas baterías alimentan una amplia gama de dispositivos, desde teléfonos inteligentes, auriculares y PC hasta electrodomésticos inteligentes y vehículos eléctricos.

Un equipo de investigadores de la City University de Hong Kong, la Northwestern University y otros institutos de Estados Unidos ha estado intentando idear estrategias y soluciones que podrían mejorar el rendimiento de los LiB, ampliando su vida útil y aumentando su capacidad energética. En un artículo reciente publicado en Nature Energy, el equipo presentó un nuevo cátodo que podría aumentar la capacidad de los LiB, al abordar una limitación bien documentada de los cátodos existentes.

"Imagínese un mundo en el que la batería de su teléfono dure mucho más y los coches eléctricos puedan llegar más lejos con una sola carga", dijo a TechXplore el profesor Qi Liu, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Ese es el sueño por el que estamos trabajando. Mejorar los LiB, las fuentes de energía de los dispositivos y vehículos eléctricos modernos. Nuestro estudio reciente se centra en un tipo específico de material llamado cátodos estratificados ricos en litio y manganeso (LMR), que tienen el potencial de almacenar mucha más energía que los cátodos comerciales actuales".

Se sabe que los cátodos en capas LMR son susceptibles a un fenómeno conocido como "caída de voltaje", que implica un rápido deterioro de los cátodos y una pérdida de voltaje en la batería. Este problema crucial y ampliamente investigado limita significativamente el rendimiento de los LiB, lo que limita su potencial general como solución de batería.

"Nos inspiraron los desafíos que enfrentan los investigadores de todo el mundo que intentaban abordar este problema de caída de voltaje", explicó el profesor Liu. "Algunas mentes brillantes ya habían propuesto ideas, como recubrir el material del cátodo o introducir nuevos elementos para estabilizar la estructura. Pero incluso con estos esfuerzos, el problema siguió sin resolverse".

En los últimos tiempos, ha habido un gran interés en una clase de materiales LMR caracterizados por una estructura única de O2 apilado. En particular, estos materiales exhiben una caída de voltaje más baja en comparación con los LMR convencionales de tipo O3. El distintivo apilamiento de O2 también ofrece la oportunidad de ajustar con precisión la estructura local de la red de panal inherentemente inestable.

Inspirándose en estos hallazgos, el profesor Liu y sus colegas intentaron construir nuevos cátodos LMR basados ​​en O2. El objetivo principal de los investigadores era estabilizar la característica estructura en forma de panal de los materiales LMR.

"Introdujimos iones de metales de transición (TM) en las capas de litio por encima o por debajo de la estructura alveolar", explicó el profesor Liu. "Nuestro objetivo era mejorar significativamente la estabilidad de la estructura alveolar, mitigando eficazmente el problema de la caída de voltaje durante el ciclo y permitiendo la aplicación práctica de materiales de cátodo LMR en LIB de alta densidad de energía".

Para crear un material LMR con un panal fijado por TM, los investigadores utilizaron una técnica de intercambio iónico (es decir, un sistema para eliminar o disolver iones de manera eficiente). Esta técnica les permitió transformar un Na0.6Li0.2(Mn0) de tipo P2. .6-xNix)O2 en el cátodo LMR de tipo O2 deseado.

"La característica única del material que creamos es la incorporación de iones TM estratégicamente ubicados por encima o por debajo de la estructura en forma de panal, que actúan como una tapa para estabilizar la frágil estructura", dijo el profesor Liu. "La ventaja de nuestro cátodo LMR es la caída de voltaje significativamente menor durante el uso de la batería en comparación con los cátodos tradicionales".

En las evaluaciones iniciales, el cátodo rico en Li creado por el profesor Liu y sus colegas funcionó notablemente bien, lo que sugiere que podría extender la vida útil y mejorar el rendimiento de las LIB. Esto podría traducirse en dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos capaces de almacenar más energía y, por tanto, funcionar durante más tiempo antes de que sea necesario recargarlos.

"Durante mucho tiempo, hasta hoy, la aplicabilidad práctica de los materiales catódicos LMR ha sido objeto de continuo debate", afirmó el profesor Liu.

"El foco de preocupación es si los inconvenientes inherentes a la caída de voltaje podrían superarse, inspirando florecientes actividades de investigación destinadas a abordar el problema de la caída de voltaje y comprender fundamentalmente sus orígenes. Nuestro logro más notable es abordar con éxito el problema de larga data de la caída de voltaje en LMR. Descubrimos que al incorporar TM adicionales en el material del cátodo, podíamos estabilizar la estructura de panal, lo que resultaba en una caída de voltaje insignificante de solo 0,02 mV por ciclo".

El trabajo reciente de este equipo de investigadores arroja luz sobre los mecanismos subyacentes a la caída de voltaje en los cátodos LMR, introduciendo un enfoque viable para minimizar este problema. En el futuro, su cátodo podría mejorarse aún más o inspirar el diseño de otros materiales de cátodo LMR similares.

"Si bien nuestro trabajo actual ha abordado con éxito la caída de voltaje de los LMR, en el futuro pretendemos abordar otra cuestión crucial: la histéresis de voltaje de los LMR", afirmó el profesor Liu.

"La histéresis de voltaje se refiere a la diferencia en los perfiles de voltaje durante los ciclos de carga y descarga de la batería. Anteriormente, se creía ampliamente que la histéresis de voltaje se debía a la inestabilidad de la superestructura en forma de panal, pero incluso con la estabilidad mejorada durante el ciclo aportada por nuestro ' estructura cap', el fenómeno de histéresis de voltaje no se ha aliviado."

En sus próximos estudios, los investigadores planean realizar una investigación exhaustiva de los mecanismos que podrían sustentar la histéresis de voltaje en los cátodos LMR. Esperan que esto conduzca a descubrimientos importantes que podrían contribuir al diseño de cátodos aún mejores.

"Nuestro próximo objetivo es abordar el difícil tema de la histéresis de voltaje y mejorar aún más la densidad de energía de nuestros materiales catódicos", añadió el profesor Liu. "También buscaremos soluciones para ampliar el proceso de fabricación de nuestro material diseñado para la producción de baterías a gran escala. Con estos avances, nos acercamos un paso más a un futuro impulsado por el almacenamiento de energía eficiente y sostenible".

Más información: Dong Luo et al, Un cátodo de óxido en capas rico en Li con caída de voltaje insignificante, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01289-6.

Yuxuan Zuo et al, Un material de cátodo rico en Li de tipo O2 de alta capacidad con una superestructura de Li2 MnO3 de una sola capa, Materiales avanzados (2018). DOI: 10.1002/adma.201707255.

Robert A. House et al, Control de superestructura de histéresis de voltaje de primer ciclo en cátodos redox de oxígeno, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1854-3.

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