Nuevo material catódico desarrollado y patentado
Un material catódico de mayor rendimiento y un método más rápido para su producción: con él, la batería de iones de litio puede durar hasta un 10% más
Un equipo de investigación del Centro de Energía Skoltech, dirigido por el catedrático y director del centro Artem Abakumov, ha obtenido una patente para materiales catódicos de alta capacidad en baterías de iones de litio fabricados a partir de óxidos de metales de transición ricos en níquel estratificados, así como un nuevo método hidrotérmico asistido por microondas para su producción. El nuevo método es más rápido y barato, y el propio material catódico durará aproximadamente un 10% más que los disponibles en el mercado. La tecnología ayudará a desarrollar más eficazmente el transporte eléctrico en Rusia. El artículo que presenta los resultados se publica en la revista Journal of Power Sources.
"Utilizamos un tratamiento hidrotérmico asistido por microondas para recubrir partículas esféricas del precursor del material catódico con una fina capa de hidróxido de cobalto. A continuación, su litiación a alta temperatura da lugar a un gradiente de concentración, formado en la capa cercana a la superficie, y a una morfología única: las partículas primarias se sitúan radialmente en el aglomerado, y no de forma aleatoria, como ocurre con otros materiales disponibles en el mercado", explica la investigadora principal Alexandra Savina, coautora de la patente y del artículo.
En una primera fase, el equipo obtuvo un precursor de hidróxido (sustancia que interviene en la reacción que da lugar a la formación de otra sustancia), en el que se mezclan homogéneamente cationes de níquel, manganeso y cobalto a nivel atómico. A continuación, su suspensión con una solución acuosa de carbamida y una fuente de cobalto se introdujo en un reactor hidrotermal de microondas, donde se procesó durante unos 15 minutos. Tras ello, el equipo obtuvo un precursor cubierto con una cáscara uniforme enriquecida en cobalto. En la fase de litificación a alta temperatura, el precursor se mezcla con una fuente de litio y se somete a un tratamiento térmico a altas temperaturas. Ahora, en lugar de la etapa de tratamiento por microondas, en el mercado se utiliza principalmente el método de coprecipitación, que dura más de 12 horas.
"La formación de un gradiente de concentración, combinada con una morfología única, proporciona varias ventajas: la estabilidad del material y su alta capacidad a diferentes velocidades de ciclado. Gracias a nuestro material, la batería de iones de litio funcionará un 10% más. Además, utilizamos reactivos baratos: carbamida (urea)", añade Alexandra Savina.
El desarrollo de tecnologías avanzadas de almacenamiento de energía es una de las principales tareas científicas y tecnológicas de Rusia. Anteriormente, el Gobierno de la Federación Rusa aprobó una hoja de ruta titulada "Tecnologías para la creación de sistemas de almacenamiento de electricidad, incluidos los portátiles" y un concepto para el desarrollo de la producción y el uso del transporte eléctrico en Rusia hasta 2030, cuyo objetivo es acelerar el desarrollo tecnológico y alcanzar posiciones de liderazgo mundial en este campo. El equipo de investigación de Skoltech y las startups creadas en el Instituto llevan varios años trabajando activamente para abordar las tareas estipuladas en la hoja de ruta.
"En la actualidad, Skoltech es el mayor titular de propiedad intelectual en materiales de cátodo de óxido de Rusia, lo que allanará el camino para la producción de dispositivos de almacenamiento de energía en la Federación Rusa. Nuestro centro está desarrollando activamente tanto nuevos materiales catódicos como tecnologías más eficientes para su producción industrial. La mayor parte del gasto asociado a un vehículo eléctrico procede de su batería, y dentro de esa batería, el que más contribuye al coste global es el material del cátodo. Por consiguiente, lograr incluso una reducción del 10% en los costes de producción del material del cátodo, conservando al mismo tiempo sus atributos de capacidad y potencia, sirve como punto de referencia crucial para mejorar la competitividad del mercado", afirmó Artem Abakumov.
Los autores señalan que uno de los objetivos de la hoja de ruta es producir células con una densidad energética máxima de 260 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg), pero ya ahora el equipo está produciendo prototipos de células con una intensidad energética específica de más de 250 Wh/kg, y cuando se cambie al material de próxima generación, podrá aumentarse a 300 Wh/kg. Además, este año los investigadores de Skoltech esperan poner en marcha el primer horno de rodillos de Rusia para la litiación de precursores a alta temperatura, con una capacidad de hasta 85 toneladas al año. El centro ya ha empezado a construir una nueva planta de producción de precursores con una capacidad de 20 toneladas al año, que estará totalmente automatizada en todas las fases del proceso tecnológico. Los datos iniciales del nuevo proyecto se obtienen durante el funcionamiento de una planta piloto de hasta 10 toneladas de precursor al año, montada con componentes rusos. En este proyecto participan las competencias de la startup Rustor, nacida en Skoltech, una empresa tecnológica a pequeña escala. Con la ayuda de la línea de producción, que se está creando en la actualidad, Rustor planea sacar al mercado nuevos materiales catódicos ricos en níquel para utilizarlos en el campo de la movilidad eléctrica, así como materiales creados pensando en los requisitos específicos de los vehículos aéreos no tripulados.
"En el segundo año de estudio, empezamos a trabajar con materiales catódicos con estructura de núcleo y cáscara. Me gustó mucho este tema, así que no dudé dónde continuar mis estudios. Este programa y el grupo de investigación me han dado mucho: conocimientos increíbles, una patente, un artículo conjunto en una revista prestigiosa y crecimiento profesional. Aprendí a trabajar con equipos, reactivos y los mejores microscopios. Me gustaría dedicarle aún más tiempo", señaló Ekaterina.
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.
Publicación original
Lyutsia A. Sitnikova, Aleksandra A. Savina, Anatolii V. Morozov, Alexander A. Golubnichiy, Ekaterina A. Dolzhikova, Ivan A. Moiseev, Sergey Yu Luchkin, Artem M. Abakumov; "Improving electrochemical performance of Ni-rich layered cathode material with combining Co-enriched compositional gradient and radial microstructure"; Journal of Power Sources, Volume 602
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