Investigadores han logrado un avance notable en la comprensión y superación de las dificultades asociadas con los materiales de cátodo ricos en níquel utilizados en las baterías de iones de litio. El equipo de investigación incluye científicos de las Universidades de Birmingham, Cambridge, Warwick, y de la Institución Faraday en Didcot.
El potencial y desafíos de los materiales ricos en Níquel
Estos materiales ostentan un potencial enorme para alcanzar altos voltajes y capacidades. Sin embargo, la aplicación práctica de los mismos ha encontrado obstáculos debido a su inestabilidad estructural y a la pérdida de oxígeno.
El estudio ha destapado que la formación de «huecos de oxígeno», donde un ión de oxígeno pierde un electrón, tiene un papel crucial en la degradación de los cátodos LiNiO2, lo que acelera la liberación de oxígeno y puede provocar una mayor degradación del material del cátodo.
Las sorprendentes transformaciones del oxígeno
Para llevar a cabo su investigación, el equipo utilizó una serie de técnicas computacionales avanzadas en supercomputadoras regionales del Reino Unido. Estudiaron el comportamiento de los cátodos LiNiO2 mientras se cargaban y descubrieron que, durante este proceso, el oxígeno en el material experimenta cambios, mientras que la carga del níquel se mantiene esencialmente inalterada.
Descubrimos que la carga de los iones de níquel se mantiene alrededor de +2, sin importar si está en su forma cargada o descargada. Mientras tanto, la carga del oxígeno varía de -1.5 a alrededor de -1.
Esto es inusual, el modelo convencional asume que el oxígeno permanece en -2 durante la carga. Sin embargo, estos cambios demuestran que el oxígeno no es muy estable y hemos descubierto una vía para que se escape del cátodo rico en níquel.
Andrew J. Morris, coautor del estudio, Universidad de Birmingham
Una propuesta para la mejora de la estabilidad de las baterías de iones de litio
Los resultados obtenidos en su investigación concuerdan con los datos experimentales recogidos. Los investigadores han propuesto un mecanismo que explica cómo se pierde el oxígeno durante este proceso, a través de la combinación de radicales de oxígeno para formar un ión de peróxido que se convierte en gas de oxígeno, dejando huecos en el material. Este proceso libera energía y genera oxígeno singlete, una forma de oxígeno altamente reactiva.
Podemos mejorar la estabilidad y la longevidad de este tipo de baterías de iones de litio, allanando el camino para sistemas de almacenamiento de energía más eficientes y confiables.
Dra. Annalena Genreith-Schriever, Universidad de Cambridge
Las baterías de iones de litio son ampliamente utilizadas en diversas aplicaciones debido a su alta densidad de energía y su capacidad de recarga, pero los desafíos asociados con la estabilidad de los materiales del cátodo han limitado su rendimiento general y su vida útil. Esta investigación ofrece una nueva perspectiva para enfrentar estos desafíos y mejorar la eficiencia de estas baterías.
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