Figura. Imágenes de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM, por sus siglas en inglés) dónde se muestran los cambios en la morfología del material dependiendo de la temperatura de síntesis.
Cerdanyola del Vallès, 8 de abril de 2021. Los materiales LNCMO, óxidos en capas ricos en Níquel Li(NixCoyMn1−x−y) O2, se encuentran entre los materiales para cátodos más prometedores para la próxima generación de baterías de ion-litio. Este tipo de baterías son muy populares en muchos de los dispositivos electrónicos que usamos todos los días.
Cuando se diseñan y preparan materiales para cátodos a través de una reacción de litiación (adición de átomos de litio al material) es fundamental descifrar la sofisticada interacción entre la termodinámica y la cinética de la reacción. Mientras que la termodinámica está relacionada con hacia dónde va la reacción, la cinética se relaciona con el camino necesario para llegar al estado final.
El equipo de investigación ya había desarrollado métodos escalables para la síntesis de este tipo de cátodos en una colaboración previa con el Sincrotrón ALBA. Ahora, en un estudio publicado en la revista científica Advanced Functional Materials, muestran la optimización de la síntesis de un material diferente también para cátodos de baterías de ion-Li, NCM622 (60% níquel, 20% cobalto y 20% manganeso), alcanzando un menor coste de capacidad de energía y una alta ciclabilidad. El coste de la capacidad de energía se define como el coste de la capacidad de almacenaje de 1kWh de energía, mientras que la ciclabilidad es el número de ciclos de carga/descarga que la batería puede soportar sin degradarse.
Los resultados pueden aplicarse a la producción de baterías de ion-Li mejoradas para la electrónica moderna.
El trabajo lo llevó a cabo un equipo de investigación internacional con colaboradores de la Guilin University of Technology en China, el Karlsruhe Institute of Technology (KIT) y el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Alemania y el Sincrotrón ALBA en España.
Los investigadores realizaron un estudio detallado de las reacciones químicas que tienen lugar durante la formación del NCM622. Ajustando las condiciones de reacción es posible separar los estados de:
- la formación inicial de la fase en capas,
- la ordenación de cationes (iones con carga eléctrica positiva) dentro de la misma
- y el crecimiento de cristales microscópicos, conocidos como cristalitos.
Interrumpiendo la reacción inmediatamente después de la completa ordenación de los cationes, es posible obtener un material con la máxima capacidad de carga posible y una capacidad de retención (habilidad para retener la energía almacenada) extremadamente alta tras ciclados prolongados.
La reacción se investigó utilizando la técnica de Difracción de Rayos-X (XRD, por sus siglas en inglés) de alta resolución, in situ, con resolución temporal en la línea de luz MSDP del Sincrotrón ALBA. “La técnica XRD usando rayos-X es un método potente para trazar la evolución estructural y la transformación de fase durante reacciones inorgánicas, en contraste con el XRD llevado a cabo con difractómetros de laboratorio que son demasiado lentos para poder seguir la reacción química in situ” explica Alexander Missyul, científico de la línea de luz MSPD.
Para obtener una mejor comprensión de la reacción, se utilizaron dos aproximaciones complementarias: calentar la mezcla de los reactivos iniciales a una velocidad de calentamiento constante hasta llegar a la temperatura seleccionada y cargar rápidamente la mezcla de reacción en una zona caliente y hacer un seguimiento de las transformaciones químicas a una temperatura constante.
La serie de materiales de cátodo obtenidos bajo diferentes condiciones se investigaron electroquímicamente para encontrar la muestra con el mejor rendimiento. Además, se obtuvo información adicional a través de un análisis XRD operando (condiciones reales de funcionamiento) de las baterías de prueba durante los primeros ciclos de carga-descarga.
La investigación estuvo apoyada además por datos de Espectroscopia de Absorción de Rayos X (XAS, por sus siglas en inglés), recogidos en el sincrotrón DESY.
Figura. (a, d) Datos de rendimiento electroquímico de baterías basadas en NCM622 obtenidos en diferentes condiciones. (e, f) Datos de difracción in situ obtenidos durante la síntesis del material para cátodo NCM622.
Referencia: Suning Wang, Weibo Hua, Alexander Missyul, Mariyam Susana Dewi Darma, Akhil Tayal, Sylvio Indris, Helmut Ehrenberg, Laijun Liu, and Michael Knapp. Kinetic Control of Long-Range Cationic Ordering in the Synthesis of Layered Ni-Rich Oxides. Adv. Funct. Mater. 2021, 2009949. DOI: 10.1002/adfm.202009949
