Los ingenieros descubren un obstáculo clave para que las pilas duren más
El óxido de litio y níquel (LiNiO2) se ha revelado como un nuevo material potencial para alimentar baterías de iones de litio de nueva generación y mayor duración. Sin embargo, su comercialización se ha estancado porque se degrada tras cargas repetidas.
Matthew Bergschneider, estudiante de doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales, y otros investigadores han descubierto por qué se estropean las baterías de litio y óxido de níquel. Están probando una solución que podría eliminar un obstáculo clave para el uso generalizado del material.
The University of Texas at Dallas
Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas han descubierto por qué se estropean las baterías de LiNiO2 y están probando una solución que podría eliminar un obstáculo clave para el uso generalizado del material. Publicaron sus hallazgos en la edición electrónica del 10 de diciembre de la revista Advanced Energy Materials.
El equipo tiene previsto fabricar primero baterías de LiNiO2 en el laboratorio y, en última instancia, trabajar con un socio industrial para comercializar la tecnología.
"La degradación de las baterías de LiNiO2 ha sido un problema durante décadas, pero no se conocía bien su causa", explica Kyeongjae Cho, catedrático de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de la Escuela de Ingeniería e Informática Erik Jonsson y director del programa Baterías y Energía para el Avance de la Comercialización y la Seguridad Nacional (BEACONS). "Ahora que tenemos una idea clara de por qué ocurre esto, estamos trabajando en una solución para que la tecnología se pueda utilizar para proporcionar una mayor duración de la batería en una serie de productos que incluyen teléfonos y vehículos eléctricos."
La investigación es un proyecto de la iniciativa BEACONS de UTD, que se lanzó en 2023 con 30 millones de dólares del Departamento de Defensa. La misión de BEACONS es desarrollar y comercializar nueva tecnología de baterías y procesos de fabricación; mejorar la disponibilidad nacional de materias primas críticas; y capacitar a trabajadores de alta calidad para empleos en una fuerza de trabajo de almacenamiento de energía de baterías en expansión.
Para determinar por qué las baterías de LiNiO2 se estropean durante la última fase de la carga, los investigadores de UT Dallas analizaron el proceso mediante modelado computacional. El estudio consistió en comprender las reacciones químicas y la redistribución de electrones a través de los materiales a nivel atómico.
En las baterías de iones de litio, la corriente eléctrica fluye de un conductor llamado cátodo, que es un electrodo positivo, a un ánodo, un electrodo negativo. El ánodo suele estar hecho de grafito de carbono, que mantiene el litio a un potencial más alto. Durante la descarga, los iones de litio vuelven al cátodo a través del electrolito y envían electrones de vuelta al cátodo que contiene litio, como una reacción electroquímica que genera electricidad. Los cátodos suelen estar hechos de una mezcla de materiales que incluye cobalto, un material escaso que los científicos pretenden sustituir por alternativas, como el óxido de litio y níquel.
Los investigadores de la UTD descubrieron que una reacción química en la que intervienen átomos de oxígeno en el LiNiO2 hace que el material se vuelva inestable y se agriete. Para resolver el problema, desarrollaron una solución teórica que refuerza el material añadiendo un ion cargado positivamente, o catión, para alterar las propiedades del material, creando "pilares" que refuerzan el cátodo.
Matthew Bergschneider, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales y primer autor del estudio, ha creado un laboratorio robotizado para fabricar prototipos de baterías y explorar procesos de síntesis de alto rendimiento de los cátodos de LiNiO2 con pilares diseñados. Las funciones robóticas ayudarán a sintetizar, evaluar y caracterizar los materiales.
"Al principio fabricaremos una pequeña cantidad y perfeccionaremos el proceso", explica Bergschneider, becario de postgrado Eugene McDermott. "Después ampliaremos la síntesis de materiales y fabricaremos cientos de baterías a la semana en las instalaciones de BEACONS. Todo esto son peldaños hacia la comercialización".
Otros investigadores que han participado en el estudio son Fantai Kong, PhD'17; Patrick Conlin, PhD'22; el Dr. Taesoon Hwang, científico investigador en ciencia e ingeniería de materiales; y el Dr. Seok-Gwang Doo, del Instituto Coreano de Tecnología Energética.
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