UN NUEVO MATERIAL PARA BATERÍAS DE IONES DE LITIO CON MAYOR RENDIMIENTO

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Un equipo de investigación ha desarrollado una nueva estrategia de síntesis de un material para cátodo con estructura monocristalina. Los resultados muestran que el nuevo material es extremadamente estable respecto al estrés mecánico interno comparado con el mismo material de estructura policristalina, que es el que se utiliza tradicionalmente. Este nuevo cátodo tiene aplicaciones prometedoras en el campo de las baterías de iones de litio para electrónica, coches eléctricos, etc. Algunos de los experimentos se llevaron a cabo en la línea de luz MSPD de ALBA.

Electric car inside chassis with high energy battery cells pack modular platform. Skateboard module board. Vehicle components motor powertrain, controller with bodywork wheels. Vector illustration.


Cerdanyola del Vallès, 9 de junio de 2022. Con el incremento de vehículos híbridos y eléctricos, existe una necesidad creciente de dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica. Para poder cumplir con esta necesidad, serán cruciales las baterías de iones de litio de última generación que utilizan materiales para el cátodo de alta energía. Dentro de los diversos tipos de materiales para cátodo, unos de los más prometedores son los óxidos laminados ricos en litio y manganeso (LMLOs, por sus siglas en inglés), esto es debido a su alta capacidad – la cantidad total de energía que puede generar la batería – y a su bajo coste.

Tradicionalmente, este tipo de materiales para baterías son, concretamente, LMLOs policristalinos (LMLO-PC). Un policristal está formado por diversos cristales individuales más pequeños con orientaciones aleatorias, denominados granos o cristalitos. Aunque esta microestructura estimula la difusión de los iones de litio dentro de los materiales de la batería, se trata de una estructura propensa a degradarse rápidamente a causa del estrés mecánico que sufre durante la operación de la batería, hecho que dificulta seriamente su aplicación práctica.

Un equipo de investigación ha desarrollado una nueva estrategia de síntesis de óxido laminado rico en litio y manganeso con estructura monocristalina (LMLOs-SC) como material para cátodo, a través de una reacción de intercambio de litio/sodio. Se trata de un tipo de reacción química en la cual una sustancia que contiene sodio reacciona con disoluciones que contienen sal de litio. De esta manera, los iones de sodio son sustituidos por iones de litio presentes en la disolución. Lo que se consigue con este método es que el material de litio que se obtiene posea una estructura cristalográfica, una morfología de las partículas y un tamaño similares a su análogo de sodio.

Para este trabajo en concreto, los investigadores utilizaron como material inicial óxido laminado rico en sodio y manganeso con estructura monocristalina. Esta estrategia permite preparar electrodos que mantienen una conductividad iónica razonablemente alta a la vez que son extremadamente estables con respecto al estrés mecánico interno, comparado con el mismo material de estructura policristalina. Como resultado, las baterías basadas en este nuevo material pueden operar durante muchos más ciclos de carga/descarga que las baterías tradicionales sin una pérdida de capacidad notable. Este nuevo material tiene aplicaciones potenciales en el campo de las baterías para electrónica, coches eléctricos, etc.

Los electrodos se investigaron utilizando las técnicas de difracción de rayos-X de radiación sincrotrón (sXRD, por sus siglas en inglés) y espectroscopia de absorción de rayos-X (XAS, por sus siglas en inglés) en la línea de luz MSPD del Sincrotrón ALBA y en la fuente de radiación de rayos-X PETRA-III (DESY). La combinación de estas técnicas, junto con la microscopia electrónica de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés) y test electroquímicos, permitió llevar a cabo un estudio sistemático sobre la estructural cristalina, la morfología y la electroquímica del LMLO monocristalino y su análogo policritalino.

Este trabajo es una colaboración entre la Universidad Xi'an Jiaotong (China), el Instituto para Materiales Aplicados-KIT, el Instituto de Nanotecnología-KIT y el Deutsches Elektronen-Synchrotron- DESY (Alemania) y el Sincrotrón ALBA.


Figure. Schematic diagram of the synthesis of polycrystal and single-crystal lithium- and manganese-rich layered oxide - Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2 - cathode materials. Corresponding SXRD, SEM and TEM data. 

Figura. Diagrama esquemático de la síntesis del óxido laminado rico en litio y manganeso monocristalino y policristalino - Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2 – que sirven como materiales para cátodo. Datos correspondientes de SXRD, SEM y TEM.

 

Referencia:  Xiaoxia Yang, Suning Wang, Duzhao Han, Kai Wang, Akhil Tayal, Volodymyr Baran, Alexander Missyul, Qiang Fu, Jiangxuan Song, Helmut Ehrenberg, Sylvio Indris, and Weibo Hua. Structural Origin of Suppressed Voltage Decay in Single-Crystalline Li-Rich Layered Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2 Cathodes. Small (2022). DOI: 10.1002/smll.202201522


Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-20-15798.

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