Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne anuncian un nuevo material para cátodos

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. han desarrollado un nuevo diseño de cátodo que podría mejorar significativamente el rendimiento y reducir el coste de las baterías de iones de litio.

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Imagen: Laboratorio Nacional Argonne

El nuevo material es una versión mejorada de un material NMC desarrollado anteriormente. La principal diferencia es que ahora la superficie está enriquecida con cobalto y el interior está prácticamente libre de cobalto, lo que permite aprovechar mejor las propiedades ventajosas de los materiales activos. El uso de cobalto también se ha reducido significativamente y el material del cátodo ahora sólo se compone de aproximadamente un dos por ciento en lugar de entre un diez y un 20 por ciento de níquel.

Los investigadores de Argonne habían optimizado previamente la composición de níquel, manganeso y cobalto del material NMC original. En el "diseño de gradiente de composición", la concentración de níquel disminuye gradualmente desde el núcleo de las partículas del material del cátodo hasta la superficie. "La idea era maximizar la densidad energética en el funcionamiento de la batería de alto voltaje y minimizar la reactividad", escribe el instituto. Estas partículas de cátodo tienen una estructura en capas. Estas capas ordenadas de átomos metálicos crean vías para el transporte de iones de litio entre los electrodos de una pila.

Este material se ha licenciado a fabricantes de baterías y materiales, por lo que se utiliza comercialmente. "Para que los VE sustituyan a los vehículos de gasolina a escala mundial, las baterías deben ser capaces de funcionar a voltajes más altos para suministrar aún más energía y autonomías de conducción más largas", afirma Khalil Amine, jefe del equipo de Tecnología Avanzada de Baterías de Argonne, y añade: "Al mismo tiempo, deben seguir siendo seguras y costar menos de fabricar".

Sin embargo, cuando funcionan a altos voltajes, las partículas del cátodo con estructuras ordenadas en capas tienden a romperse y a reaccionar más fuertemente con el electrolito de la pila. Esto no sólo reduce la vida útil de la pila, sino que también puede provocar problemas de seguridad en casos extremos.

Por ello, los equipos de ANE han añadido otra característica especial al 'diseño de cátodo de gradiente de composición' para seguir desarrollándolo, a saber, el proceso de convolución de cobalto mencionado al principio. Por ello, los investigadores hablan ahora también de un 'diseño de doble gradiente'. Esto también rompe la estructura ordenada y estratificada del material: En el núcleo, las partículas siguen estando formadas por material en capas, pero en la superficie, el material se vuelve cada vez más desordenado.

La idea es que la superficie desordenada de las partículas suprima la formación de grietas y la reactividad, mientras que el núcleo ordenado maximice el transporte de iones. "De este modo, el cátodo puede alcanzar potencialmente una gran capacidad y estabilidad mientras funciona a altos voltajes", explicó el instituto. Se dice que las pruebas han confirmado que la producción de material catódico con estas propiedades especiales fue un éxito - y que las partículas también permanecen estables cuando funcionan a altos voltajes. Se dice que, tras 500 ciclos de carga y descarga, el material sólo ha perdido un dos por ciento de su capacidad.

"Demostramos que la superficie desordenada de la partícula es indestructible, prácticamente sin reactividad ni tensión estructural", dijo Tongchao Liu, químico de Argonne. Liu es el autor principal del artículo publicado recientemente en Nature Energy sobre el cátodo de doble gradiente de Argonne. Entre los socios colaboradores se encuentran el Instituto Brookhaven del Departamento de Energía y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

anl.gov

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