Observar el litio en tiempo real podría mejorar el rendimiento de los materiales de las baterías de los vehículos eléctricos
Los investigadores siguieron el movimiento de los iones de litio dentro de un nuevo y prometedor material para baterías
Los investigadores han descubierto que el movimiento irregular de los iones de litio en los materiales de las baterías de nueva generación podría estar reduciendo su capacidad y dificultando su rendimiento.
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El equipo, dirigido por la Universidad de Cambridge, siguió en tiempo real el movimiento de los iones de litio en el interior de un nuevo y prometedor material para baterías.
Se suponía que el mecanismo por el que los iones de litio se almacenan en los materiales de las baterías es uniforme en todas las partículas activas. Sin embargo, el equipo de Cambridge descubrió que, durante el ciclo de carga y descarga, el almacenamiento de litio es todo menos uniforme.
Cuando la batería se acerca al final de su ciclo de descarga, las superficies de las partículas activas se saturan de litio, mientras que sus núcleos carecen de él. El resultado es la pérdida de litio reutilizable y una capacidad reducida.
La investigación, financiada por la Institución Faraday, podría ayudar a mejorar los materiales de las baterías actuales y acelerar el desarrollo de las de nueva generación. Los resultados se publican en Joule.
Los vehículos eléctricos (VE) son vitales en la transición hacia una economía de carbono cero. La mayoría de los vehículos eléctricos que circulan hoy en día funcionan con baterías de iones de litio, debido en parte a su alta densidad energética.
Sin embargo, a medida que se generaliza el uso de los vehículos eléctricos, la necesidad de aumentar la autonomía y de acelerar los tiempos de carga obliga a mejorar los materiales de las baterías actuales y a encontrar otros nuevos.
Algunos de los más prometedores son los materiales de electrodos positivos de última generación, conocidos como óxidos estratificados de litio y níquel, que se utilizan ampliamente en los vehículos eléctricos de alta gama. Sin embargo, sus mecanismos de funcionamiento, en particular el transporte de iones de litio en condiciones prácticas de funcionamiento, y la forma en que esto se relaciona con su rendimiento electroquímico, no se comprenden del todo, por lo que aún no podemos obtener el máximo rendimiento de estos materiales.
Al seguir con un microscopio la forma en que la luz interactúa con las partículas activas durante el funcionamiento de la batería, los investigadores observaron claras diferencias en el almacenamiento de litio durante el ciclo de carga y descarga en el óxido de manganeso y cobalto rico en níquel (NMC).
"Es la primera vez que se observa directamente esta falta de uniformidad en el almacenamiento de litio en partículas individuales", afirma la coautora Alice Merryweather, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge. "Las técnicas en tiempo real como la nuestra son esenciales para captar esto mientras la batería está en ciclo".
Combinando las observaciones experimentales con la modelización informática, los investigadores descubrieron que la falta de uniformidad se origina en los cambios drásticos de la velocidad de difusión de los iones de litio en la NMC durante el ciclo de carga y descarga. En concreto, los iones de litio se difunden lentamente en las partículas de NMC totalmente litificadas, pero la difusión aumenta 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 los iones de litio en la NMC durante las primeras etapas de la carga", dijo el coautor, el Dr. Shrinidhi S. Pandurangi, del Departamento de Ingeniería de Cambridge. "Nuestro modelo predijo con precisión las distribuciones de litio y captó el grado de heterogeneidad observado en los experimentos. Estas predicciones son clave para entender otros mecanismos de degradación de las baterías, como la fractura de partículas".
Es importante destacar que la heterogeneidad del litio observada al final de la descarga establece una de las razones por las que los materiales catódicos ricos en níquel suelen perder alrededor del diez por ciento de su capacidad tras el primer ciclo de carga-descarga.
"Esto es significativo, teniendo en cuenta que una norma industrial que se utiliza para determinar si una batería debe retirarse o no es cuando ha perdido el 20 por ciento de su capacidad", dijo el coautor, el Dr. Chao Xu, de la Universidad de ShanghaiTech.
Los investigadores buscan ahora nuevos enfoques para aumentar la densidad energética práctica y la vida útil de estos prometedores materiales para baterías.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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