Las baterías de iones de litio en realidad pierden una parte considerable de su capacidad incluso antes de ponerse en marcha. Esto se debe a las impurezas que se forman durante su primer ciclo, pero un equipo dirigido por el inventor de las baterías de litio recargables, ganador del Premio Nobel, podría haber encontrado una solución a este problema, en forma de un novedoso recubrimiento que protege contra estas pérdidas desde el principio.
Las impurezas que subyacen a estos problemas en las baterías de litio se encuentran en los cátodos ricos en níquel del lado positivo del dispositivo, que sirven como uno de sus dos electrodos. El níquel de este componente es clave para la impresionante densidad energética de las baterías de iones de litio, pero también es inestable.
Esto hace que se formen impurezas en la superficie del cátodo durante el primer ciclo de carga y descarga, lo que a su vez reduce inmediatamente la capacidad de almacenamiento de la batería entre un 10 y un 18%. Además, el níquel crea inestabilidades bajo la superficie dentro de la estructura del cátodo, que con el tiempo también empiezan a degradar la capacidad de almacenamiento de la batería.
En 2019, Stanley Whittingham ganó el Premio Nobel de Química junto con otros dos científicos por el desarrollo de la batería de iones de litio en la década de 1970. La tecnología ha avanzado mucho desde entonces, pero los investigadores, incluido Whittingham, siguen trabajando para mejorarlas experimentando con diferentes materiales, y uno prometedor para su uso como cátodo es un material de níquel-manganeso-cobalto llamado NMC 811.
Whittingham dirigió un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Nueva York en Binghamton, el Departamento de Energía y los Laboratorios Nacionales de Oak Ridge para probar un tratamiento químico experimental para el NMC 811, con óxido de niobio sin litio. La esperanza era que esto evitara las inestabilidades en el cátodo, algo que los investigadores investigaron mediante estudios de difracción de rayos X y neutrones.
Los neutrones penetraron fácilmente en el material del cátodo para revelar dónde se encontraban los átomos de niobio y de litio, lo que permitió comprender mejor cómo funciona el proceso de modificación del niobio. 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 retención de la capacidad a largo plazo.
Hui Zhou, autor del estudio.
El tratamiento químico estabilizó la estructura para reducir la pérdida de capacidad que normalmente se produce durante el primer ciclo de carga. En última instancia, también proporcionó un mejor rendimiento a largo plazo, con una retención de la capacidad del 93,2% a lo largo de 250 ciclos de carga.
Los científicos ven un gran potencial en el nuevo diseño de la batería, especialmente cuando el almacenamiento de alta densidad es una prioridad, como en el mundo del transporte eléctrico.
Las mejoras observadas en el rendimiento electroquímico y la estabilidad estructural hacen del NMC 811 modificado con niobio un candidato como material de cátodo para su uso en aplicaciones de mayor densidad energética, como los vehículos eléctricos. La combinación de un recubrimiento de niobio con la sustitución de átomos de niobio por átomos de manganeso puede ser una forma mejor de aumentar tanto la capacidad inicial como la retención de la capacidad a largo plazo. Estas modificaciones pueden ampliarse fácilmente utilizando los actuales procesos de fabricación en varias fases de los materiales NMC.
Stanley Whittingham.
Más información: pubs.acs.org
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