La estructura sin límites para las partículas de los electrodos elimina las reacciones que acortan la vida útil de la batería.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) tienen una larga historia de descubrimientos pioneros relacionados con las baterías de iones de litio. Muchos de estos descubrimientos se centraron en un cátodo de batería llamado NMC, un óxido de níquel, manganeso y cobalto. Las baterías con este cátodo ahora alimentan el Chevy Bolt.

Los investigadores de Argonne han logrado otro avance con el cátodo NMC. La nueva estructura del equipo para las micropartículas del cátodo podría conducir a baterías más duraderas y seguras que pueden operar a muy alto voltaje y alimentar vehículos para rangos más largos.

«Ahora tenemos pautas que los fabricantes de baterías pueden usar para fabricar material de cátodo sin interfaz y que funcione con alto voltaje». — Khalil Amine, Miembro Distinguido de Argonne

«El cátodo NMC de hoy presenta un gran obstáculo para la operación de alto voltaje», dijo Guiliang Xu, químico asistente. En el ciclo de carga-descarga, el rendimiento se degrada rápidamente a medida que se forman grietas en las partículas del cátodo. Durante varias décadas, los investigadores de baterías han estado buscando formas de eliminar estas grietas.

Un enfoque anterior involucraba micropartículas esféricas compuestas de numerosas partículas mucho más pequeñas. Las partículas esféricas grandes son policristalinas con dominios cristalinos orientados de manera diferente. Como resultado, tienen lo que los científicos llaman límites de grano entre las partículas que provocan grietas a medida que la batería se cicla. Para evitar esto, los colegas de Xu y Argonne habían desarrollado previamente una capa protectora de polímero alrededor de cada partícula. Este recubrimiento rodea las partículas esféricas grandes y las más pequeñas dentro.

Otro enfoque para evitar este agrietamiento involucra partículas monocristalinas. La microscopía electrónica de estas partículas mostró que no tienen límites.

El problema al que se enfrentó el equipo fue que los cátodos hechos tanto de policristales revestidos como de monocristales aún se agrietaban durante el ciclo. Por lo tanto, sometieron estos materiales de cátodo a un análisis exhaustivo en la Fuente de fotones avanzada (APS) y el Centro de materiales a nanoescala (CNM), las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne.

Se realizaron varios análisis de rayos X en cinco líneas de luz APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C y 34-ID-E). Resultó que lo que los científicos habían pensado que eran monocristales, como lo demostró la microscopía electrónica y de rayos X, en realidad tenían límites internos. La microscopía electrónica de barrido y transmisión del CNM confirmó el hallazgo.

«Si observamos la morfología de la superficie de estas partículas, se ven como monocristales», dice el físico Wenjun Liu. «Pero cuando usamos una técnica llamada microscopía de difracción de rayos X sincrotrón y otras técnicas en el APS, encontramos límites escondidos en el interior».

Es importante destacar que el equipo ha desarrollado un método para producir monocristales sin límites. Las pruebas de celdas pequeñas con tales cátodos monocristalinos a muy alto voltaje mostraron un aumento del 25 por ciento en el almacenamiento de energía por unidad de volumen casi sin pérdida de rendimiento durante 100 ciclos de prueba. Por el contrario, para los cátodos NMC, que consisten en monocristales con muchos límites internos o con policristales revestidos, la capacitancia disminuyó entre un 60 % y un 88 % durante el mismo ciclo de vida.

Los cálculos a nivel atómico revelaron el mecanismo detrás de la caída de capacidad en el cátodo. Según la nanocientífica del CNM Maria Chan, los límites son más propensos a la pérdida de átomos de oxígeno cuando la batería está cargada, en comparación con las regiones alejadas de ellos. Esta pérdida de oxígeno conduce a la degradación durante el ciclo celular.

«Nuestros cálculos han demostrado cómo los límites de alto voltaje conducen a la liberación de oxígeno y, por lo tanto, a una caída en el rendimiento», dijo Chan.

La eliminación de los límites evita la liberación de oxígeno y, por lo tanto, mejora la seguridad y la estabilidad del cátodo durante el ciclo. Las mediciones de liberación de oxígeno en APS y la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE respaldaron este hallazgo.

«Ahora tenemos pautas que los fabricantes de baterías pueden usar para fabricar material de cátodo sin interfaz y que funcione con alto voltaje», dijo Khalil Amine, miembro distinguido de Argonne. «Y las pautas deben aplicarse a otros materiales de cátodo además de NMC».

Un artículo sobre esta investigación apareció en energía de la naturaleza. Además de Xu, Amine, Liu y Chan, los autores de Argonne incluyen a Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Yin, Amine Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du y Zonghai Chen. También contribuyeron a este proyecto científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li y Zengqing Zhuo), la Universidad de Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang y Shi-Gang Sun) y la Universidad de Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng y Minggao) cerca de Ouyang).

La investigación fue apoyada por la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE.


Acerca del Centro Argonne para Materiales a Nanoescala

El Centro de Materiales a Nanoescala es uno de los cinco Centros de Investigación Científica a Nanoescala del DOE, las principales instalaciones nacionales de usuarios para la investigación interdisciplinaria a nanoescala respaldada por la Oficina de Ciencias del DOE. Juntos, los NSRC comprenden un conjunto de instalaciones complementarias que brindan a los investigadores capacidades de vanguardia para fabricar, procesar, caracterizar y modelar materiales a nanoescala y representan la mayor inversión en infraestructura de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología. Los NSRC están ubicados en los Laboratorios Nacionales Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia y Los Alamos del DOE. Para obtener más información sobre los NSRC del DOE, consulte https://​sci​ence​.osti​.gov/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​ i ​e​s​/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​i​t​i​e​s​-​a​t​-​a​-​ look .

Acerca de la fuente de fotones avanzada

La fuente de fotones avanzada (APS) de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Argonne es una de las instalaciones de fuentes de luz de rayos X más productivas del mundo. El APS pone rayos X de alto brillo a disposición de una comunidad diversa de investigadores en ciencia de los materiales, química, física de la materia condensada, ciencias de la vida y ambientales e investigación aplicada. Estos rayos X son ideales para estudiar materiales y estructuras biológicas; distribución elemental; estados químicos, magnéticos, electrónicos; y una amplia gama de sistemas de ingeniería tecnológicamente importantes, desde baterías hasta inyectores de combustible, todos los cuales forman la base del bienestar económico, tecnológico y físico de nuestra nación. Cada año, más de 5000 investigadores usan el APS para producir más de 2000 publicaciones que detallan descubrimientos impactantes y resuelven estructuras de proteínas biológicas más vitales que los usuarios de cualquier otra instalación de investigación de fuentes de rayos X. Los científicos e ingenieros de APS están inventando tecnologías que están en el corazón del avance de las operaciones de aceleradores y fuentes de luz. Estos incluyen los introductores que producen rayos X con un brillo extremo valorado por los investigadores, lentes que enfocan los rayos X hasta unos pocos nanómetros, instrumentos que maximizan la forma en que los rayos X interactúan con las muestras que se examinan y el software, que recopila y gestiona la gran cantidad de datos resultantes de la investigación de descubrimiento en la APS.

Esta investigación utilizó recursos de Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE de EE. UU. operada para la Oficina de Ciencias del DOE por el Laboratorio Nacional de Argonne bajo el número de contrato DE-AC02-06CH11357.

Artículo e imagen destacada por Laboratorio Nacional de Argonne.


 

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