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(Noticias de Nanowerk) Los investigadores han descubierto que el movimiento errático de los iones de litio en los materiales de las baterías de próxima generación podría reducir su capacidad y afectar su rendimiento.
El equipo, dirigido por la Universidad de Cambridge, rastreó en tiempo real el movimiento de los iones de litio en un nuevo y prometedor material para baterías.
Se ha planteado la hipótesis de que el mecanismo por el cual los iones de litio se almacenan en los materiales de la batería es consistente en todas las partículas activas individuales. Sin embargo, el equipo dirigido por Cambridge descubrió que el almacenamiento de litio está lejos de ser fluido durante todo el ciclo de carga y descarga.
A medida que la batería se acerca al final de su ciclo de descarga, las superficies de las partículas activas se saturan con litio mientras que sus núcleos se vuelven deficientes en litio. Esto da como resultado la pérdida de litio reutilizable y una capacidad reducida.
La investigación podría ayudar a mejorar los materiales de las baterías existentes y acelerar el desarrollo de baterías de próxima generación. Los resultados serán publicados en julios («Operando visualización de heterogeneidades de litio inducidas cinéticamente en cátodos ricos en Ni con capas de partículas individuales»).
Los vehículos eléctricos (VE) son cruciales en la transición hacia una economía sin emisiones de carbono. La mayoría de los vehículos eléctricos que circulan hoy en día funcionan con baterías de iones de litio, en parte debido a su alta densidad de energía.
Sin embargo, a medida que los vehículos eléctricos se generalizan, la búsqueda de autonomías más largas y tiempos de carga más rápidos significa que los materiales de las baterías actuales deben mejorarse y es necesario identificar nuevos materiales.
Algunos de los más prometedores de estos materiales son los materiales de electrodos positivos de vanguardia conocidos como óxidos ricos en níquel y litio en capas, que se usan ampliamente en los vehículos eléctricos premium. Sin embargo, sus mecanismos de acción, particularmente el transporte de iones de litio en condiciones operativas prácticas, y cómo esto se relaciona con su rendimiento electroquímico aún no se comprenden completamente, por lo que aún no podemos lograr el máximo rendimiento de estos materiales.
Al seguir bajo un microscopio cómo la luz interactúa con las partículas activas durante el funcionamiento de la batería, los investigadores observaron marcadas diferencias en el almacenamiento de litio durante el ciclo de carga y descarga en el óxido de cobalto-manganeso rico en níquel (NMC).
«Esta es la primera vez que esta falta de uniformidad en el almacenamiento de litio se observa directamente en partículas individuales», dijo la coautora Alice Merryweather, del Departamento de Química de Yusuf Hamied en Cambridge. «Las técnicas en tiempo real como las nuestras son esenciales para capturar esto mientras la batería está funcionando».
Los investigadores combinaron las observaciones experimentales con modelos informáticos y descubrieron que la falta de uniformidad se debe a cambios drásticos en la tasa de difusión de iones de litio en NMC durante el ciclo de carga y descarga. En particular, los iones de litio se difunden lentamente en partículas de NMC completamente litiadas, pero la difusión mejora significativamente una vez que se extraen algunos iones de litio de estas partículas.
«Nuestro modelo proporciona información sobre el rango en el que varía la difusión de iones de litio en NMC durante las primeras etapas de carga», dijo el coautor principal, el Dr. Shrinidhi Pandurangi del Departamento de Ingeniería de Cambridge. “Nuestro modelo predijo con precisión las distribuciones de litio y capturó el grado de heterogeneidad observado en los experimentos. Estas predicciones son clave para comprender otros mecanismos de degradación de la batería, como la rotura de partículas”.
Es importante destacar que la heterogeneidad del litio al final de la descarga es una de las razones por las que los materiales catódicos ricos en níquel suelen perder alrededor del diez por ciento de su capacidad después del primer ciclo de carga y descarga.
«Esto es importante considerando que se usa un estándar de la industria para determinar si una batería debe desecharse o no cuando ha perdido el 20 por ciento de su capacidad», dijo el coautor principal, el Dr. Chao Xu de la Universidad ShanghaiTech, quien completó la investigación mientras vivía en Cambridge.
Los investigadores ahora están buscando nuevos enfoques para aumentar la densidad de energía práctica y la vida útil de estos prometedores materiales para baterías.
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