Los científicos de tres laboratorios nacionales del Departamento de Energía han descubierto cómo evitar que un nuevo tipo prometedor de cátodo de batería de iones de litio desarrolle un revestimiento crujiente que degrada su rendimiento. La solución: utilice una técnica de fabricación simple para convertir el material del cátodo en diminuto,partículas en capas que almacenan mucha energía mientras se protegen del daño.
Las baterías de prueba que incorporaron este material del cátodo resistieron mucho mejor cuando se cargaron y descargaron a los altos voltajes necesarios para cargar rápidamente los vehículos eléctricos, informan los científicos en un artículo publicado el 11 de enero en la edición inaugural de Energía natural .
"Pudimos diseñar la superficie de una manera que evite el desvanecimiento rápido de la capacidad de la batería", dijo Yijin Liu, científico del personal del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC y coautor del informe. Los resultados son potencialmente significativos porqueallanan el camino para fabricar baterías de iones de litio que son más baratas y tienen una mayor densidad de energía.
Níquel bueno, níquel malo
La química está en el corazón de todas las baterías recargables de iones de litio, que alimentan la electrónica portátil y los autos eléctricos al transportar iones de litio entre electrodos positivos y negativos bañados en una solución electrolítica. A medida que los iones de litio se mueven hacia el cátodo, las reacciones químicas generan electrones quepuede enrutarse a un circuito externo para su uso. La recarga extrae iones de litio del cátodo y los envía al ánodo.
Los cátodos hechos de óxido de níquel, manganeso y cobalto, o NMC, son un área especialmente caliente de investigación de baterías porque pueden operar a los voltajes relativamente altos necesarios para almacenar una gran cantidad de energía en un espacio muy pequeño.
Pero mientras que el níquel en NMC le da una alta capacidad para almacenar energía, también es reactivo e inestable, con una tendencia a sufrir reacciones secundarias destructivas con el electrolito. Con el tiempo, esto forma una corteza similar a la sal de roca que bloquea el flujo deiones de litio, dijo el coautor del estudio Huolin Xin, del Laboratorio Nacional Brookhaven.
En este estudio, los investigadores experimentaron con formas de incorporar níquel pero protegerlo del electrolito.
Partículas que se protegen
Un equipo dirigido por Marca Doeff en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley roció una solución de litio, níquel, manganeso y cobalto a través de una boquilla atomizadora para formar gotas que se descompusieron para formar un polvo. Calentar y enfriar repetidamente el polvo desencadenó la formación de pequeñas partículasque se ensamblaron en estructuras más grandes, esféricas y a veces huecas.
Esta técnica, llamada pirólisis por pulverización, es barata, ampliamente utilizada y se amplía fácilmente para la producción comercial. Y en este caso, hizo algo inesperado. Como una masa de pastel que se clasifica en capas distintas durante el horneado, las partículas de NMC emergieron delproceso con sus ingredientes básicos redistribuidos.
La nueva estructura se hizo clara cuando las partículas del cátodo se examinaron en detalle en SLAC y Brookhaven. En la fuente de luz de radiación sincrotrón Stanford de SLAC, Liu y sus colegas usaron rayos X para sondear las partículas a una escala de 10-20 micras, o millonésimasde un metro. En el Centro de Brookhaven para Nanomateriales Funcionales, Xin y su equipo utilizaron un microscopio electrónico de transmisión de exploración para ampliar detalles tan pequeños como milmillonésimas de metro, un reino conocido como la nanoescala. Un camino simple hacia una mayor capacidad
Con ambas técnicas y en todas las escalas que observaron, las partículas tenían una estructura diferente que el material de partida original. Cuando el equipo de SSRL examinó pequeñas áreas tridimensionales dentro del material, por ejemplo, solo el 70 por ciento de ellas contenía las tresde los metales de partida: níquel, manganeso y cobalto.
"Las partículas tienen más níquel en el interior, para almacenar más energía y menos en la superficie, donde causaría problemas", dijo Liu. Al mismo tiempo, la superficie de las partículas se enriqueció en manganeso, que actuócomo una capa de pintura para proteger el interior.
"No somos los primeros en tener la idea de disminuir el níquel en la superficie. Pero pudimos hacerlo en un solo paso usando un procedimiento muy simple", dijo Doeff. "Todavía queremos aumentar elel contenido de níquel aún más, y esto nos da una posible vía para hacerlo. Cuanto más níquel tenga, más capacidad práctica tendrá con voltajes que sean prácticos de usar ".
En futuros experimentos, los investigadores planean sondear el cátodo NMC con rayos X mientras se carga y descarga para ver cómo cambian su estructura y química. También esperan mejorar la seguridad del material: como un óxido metálico, podría liberar oxígenodurante la operación y potencialmente causar un incendio.
"Para hacer una batería real y funcional que se pueda comercializar, hay que mirar más allá del rendimiento", dijo Liu. "Se debe considerar la seguridad y muchas otras cosas".
Otros investigadores que contribuyeron a este trabajo fueron el autor principal Feng Lin y Matthew Quan de Berkeley Lab; Dennis Nordlund y Tsu-Chien Weng de SLAC; y Lei Cheng de Berkeley Lab y la Universidad de California, Berkeley. Este trabajo fue apoyado porLa Oficina de Tecnologías del Vehículo del DOE. La Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón Stanford de SLAC y el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven son las Instalaciones del Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :