Un equipo internacional de investigadores ha demostrado una nueva forma de aumentar la robustez y la capacidad de almacenamiento de energía de una clase particular de materiales catódicos "ricos en litio", mediante el uso de una mezcla de gases a base de dióxido de carbono para crear vacantes de oxígeno en el materialLos investigadores dijeron que el tratamiento mejoró la densidad de energía la cantidad de energía almacenada por unidad de masa del material del cátodo hasta en un 30 a 40 por ciento.
El descubrimiento arroja luz sobre cómo cambiar la composición de oxígeno de los materiales de cátodo ricos en litio podría mejorar el rendimiento de la batería, particularmente en aplicaciones de alta energía como los vehículos eléctricos. Los hallazgos se publicaron el 1 de julio Comunicaciones de la naturaleza .
"Hemos descubierto un nuevo mecanismo en juego en esta clase de materiales catódicos ricos en litio. Con este estudio, queremos abrir una nueva vía para explorar más materiales de batería en los que podamos controlar la actividad del oxígeno", dijo Shirley Meng, profesor de nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego y uno de los principales investigadores del estudio.
Meng dirige el Laboratorio de Almacenamiento y Conversión de Energía y es el director del Centro de Energía y Energía Sostenible, ambos en UC San Diego. Un sello distintivo de los esfuerzos de investigación de su grupo es comprender la ciencia detrás de los materiales de la batería, a nivel de solteroátomos y moléculas, y en las interfaces. Su grupo es uno de los primeros en enfocarse en la actividad de los átomos de oxígeno en los materiales de la batería. Por lo general, el enfoque se ha centrado en los átomos de litio y metales de transición ". Ahora estamos mostrando que el oxígeno tambiénjuega un papel importante en el rendimiento de la batería ", dijo Meng.
En el nuevo estudio, el grupo de Meng colaboró con investigadores de la Academia de Ciencias de China para desarrollar una forma de introducir vacantes de oxígeno en una clase de materiales catódicos conocidos como óxidos en capas ricos en litio. Estos materiales han ganado popularidad entre los investigadores de baterías porquepotencialmente pueden albergar más energía que otros materiales catódicos, pero los materiales catódicos ricos en litio también tienen sus inconvenientes, que incluyen velocidades de descarga lentas y un problema llamado desvanecimiento de voltaje, que se caracteriza por una caída en el voltaje de la celda con cada ciclo de carga-descarga.
"Estamos presentando una nueva forma de mitigar los problemas que afectan a los materiales catódicos ricos en litio, a través de la comprensión y el control del comportamiento del oxígeno en estos materiales", dijo Meng.
El equipo descubrió que el tratamiento de las partículas de cátodo ricas en litio con una mezcla de gases a base de dióxido de carbono creaba vacantes de oxígeno de manera uniforme en toda la superficie de las partículas. El tratamiento solo dejaba vacantes de oxígeno dentro de los primeros 10 a 20 nanómetros sin alterar el resto dela estructura atómica del material.
"Este es un tratamiento suave que nos permite realizar cambios controlados en el material exactamente donde queremos, cerca de la interfaz", dijo Minghao Zhang, coautor del artículo y estudiante de doctorado en la Escuela de Ingeniería Jacobsen UC San Diego trabajando en el grupo de Meng.
En las pruebas electroquímicas, el material tratado exhibió una capacidad de descarga relativamente alta 300 miliamperios-hora por gramo con una pérdida de voltaje mínima después de 100 ciclos de carga-descarga.
"Esta es una mejora significativa con respecto al problema de desvanecimiento de voltaje, pero todavía queda mucho trabajo para resolver completamente este problema", dijo Meng.
A través de estudios de caracterización en colaboración con grupos del Laboratorio Nacional Brookhaven y el Laboratorio Nacional Oak Ridge, los investigadores proporcionaron varias razones por las cuales las vacantes de oxígeno mejoraron el rendimiento del material del cátodo. Explicaron que las vacantes permiten que los iones de litio se muevan más fácilmente por todo el cátodo, lo que llevaa alta capacidad de descarga y velocidades de descarga más rápidas. Las vacantes también aumentan la estabilidad del material al inhibir la formación de radicales de oxígeno altamente reactivos en la superficie del material del cátodo, que generalmente son responsables de degradar el electrolito mientras la batería está funcionando. Esto podría significar una batería más largatoda la vida, dijeron los investigadores.
"Podemos utilizar de manera controlable la actividad del oxígeno para mejorar el rendimiento del material y controlar mejor cómo funciona dentro de la batería", dijo Zhang.
Como siguiente paso, los investigadores trabajarán para ampliar el tratamiento informado en este estudio. También realizarán más estudios sobre la actividad de oxígeno en otros materiales y cómo podría aprovecharse para mejorar el rendimiento de la batería.
"Pero antes de que podamos decidir si este es un paso prometedor para las baterías, necesitamos probar si nuestra tecnología puede mejorar el rendimiento de la batería en función de múltiples métricas a la vez, no solo si mejora un solo parámetro", dijo Meng ".Tenemos que pensar en mejorar el rendimiento de la batería como si nos estuviéramos expandiendo en una telaraña con múltiples variables ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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