Cátodos de baterías de iones de litio rentables, de gran capacidad y ciclables
Un aspecto químico crucial de la mejora resultó ser la formación de enlaces "covalentes" fuertes
El ciclo de carga-recarga del óxido de hierro rico en litio, un cátodo rentable y de gran capacidad para las baterías de ión-litio de nueva generación, puede mejorarse enormemente dopándolo con elementos minerales fácilmente disponibles.
Óxidos de hierro ricos en litio para cátodos rentables, de alta capacidad y ciclables.
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La capacidad energética y los ciclos de carga y recarga (ciclabilidad) del óxido de hierro y litio, un material catódico rentable para las baterías recargables de ión-litio, mejoran añadiendo pequeñas cantidades de elementos abundantes. El avance, logrado por investigadores de la Universidad de Hokkaido, la Universidad de Tohoku y el Instituto Tecnológico de Nagoya, se publica en la revista ACS Materials Letters.
Las baterías de iones de litio se han hecho indispensables en la vida moderna y se utilizan en multitud de aplicaciones, como teléfonos móviles, vehículos eléctricos y grandes sistemas de almacenamiento de energía. Se está investigando constantemente para aumentar su capacidad, eficiencia y sostenibilidad. Uno de los principales retos es reducir la dependencia de recursos escasos y caros. Uno de los enfoques consiste en utilizar materiales más eficientes y sostenibles para los cátodos de las baterías, donde se producen los procesos clave de intercambio de electrones.
Los investigadores trabajaron para mejorar el rendimiento de los cátodos basados en un compuesto concreto de óxido de hierro y litio. En 2023, dieron a conocer un prometedor material para cátodos, el Li5FeO4, que presenta una gran capacidad mediante reacciones redox de hierro y oxígeno. Sin embargo, su desarrollo tropezó con problemas relacionados con la producción de oxígeno durante los ciclos de carga y recarga.
"Ahora hemos descubierto que la ciclabilidad puede mejorarse notablemente dopando pequeñas cantidades de elementos abundantes como aluminio, silicio, fósforo y azufre en la estructura cristalina del cátodo", explica el profesor asociado Hiroaki Kobayashi, del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Hokkaido.
Un aspecto químico crucial de la mejora resultó ser la formación de fuertes enlaces "covalentes" entre el dopante y los átomos de oxígeno de la estructura. Estos enlaces mantienen unidos a los átomos cuando se comparten electrones entre ellos, en lugar de la interacción "iónica" entre iones con carga positiva y negativa.
"El enlace covalente entre el dopante y los átomos de oxígeno hace que la liberación problemática de oxígeno sea menos favorable energéticamente y, por tanto, menos probable", explica Kobayashi.
Los investigadores utilizaron análisis de absorción de rayos X y cálculos teóricos para explorar los detalles de los cambios en la estructura del material del cátodo causados por la introducción de diferentes elementos dopantes. Esto les permitió proponer explicaciones teóricas de las mejoras observadas. También utilizaron análisis electroquímicos para cuantificar las mejoras en la capacidad energética del cátodo, su estabilidad y los ciclos entre las fases de carga y descarga, mostrando un aumento de la retención de capacidad del 50% al 90%.
"Seguiremos desarrollando estos nuevos conocimientos, con la esperanza de hacer una contribución significativa a los avances en la tecnología de las baterías, que serán cruciales para que la energía eléctrica sustituya ampliamente al uso de combustibles fósiles, como exigen los esfuerzos mundiales para combatir el cambio climático", concluye Kobayashi.
La siguiente fase de la investigación consistirá en estudiar los retos y las posibilidades de convertir los métodos en una tecnología lista para su comercialización.
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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