Un equipo de científicos que incluye investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han identificado las causas de la degradación en un material del cátodo para las baterías de iones de litio, así como las posibles soluciones.publicado el 7 de marzo en Materiales funcionales avanzados , podría conducir al desarrollo de baterías más asequibles y de mejor rendimiento para vehículos eléctricos.
Búsqueda de materiales de cátodo de alto rendimiento
Para que los vehículos eléctricos ofrezcan la misma confiabilidad que los vehículos a gas, necesitan baterías livianas pero potentes. Las baterías de iones de litio son el tipo de batería más común que se encuentra en los vehículos eléctricos hoy en día, pero su alto costo y vida útil limitada son limitaciones para el despliegue generalizadode vehículos eléctricos. Para superar estos desafíos, los científicos de muchos de los laboratorios nacionales del DOE están investigando formas de mejorar la batería tradicional de iones de litio.
Las baterías están compuestas por un ánodo, un cátodo y un electrolito, pero muchos científicos consideran que el cátodo es el desafío más apremiante. Los investigadores de Brookhaven son parte de un consorcio patrocinado por el DOE llamado Battery500, un grupo que está trabajando para triplicarla densidad de energía de las baterías que alimentan los vehículos eléctricos de hoy en día. Uno de sus objetivos es optimizar una clase de materiales catódicos llamados materiales estratificados ricos en níquel.
"Los materiales en capas son muy atractivos porque son relativamente fáciles de sintetizar, pero también porque tienen una alta capacidad y densidad de energía", dijo el químico de Brookhaven Enyuan Hu, autor del artículo.
El óxido de litio y cobalto es un material en capas que se ha utilizado como cátodo para las baterías de iones de litio durante muchos años. A pesar de su aplicación exitosa en pequeños sistemas de almacenamiento de energía como la electrónica portátil, el costo y la toxicidad del cobalto son barreras para el uso del material ensistemas más grandes. Ahora, los investigadores están investigando cómo reemplazar el cobalto con elementos más seguros y asequibles sin comprometer el rendimiento del material.
"Elegimos un material en capas rico en níquel porque el níquel es menos costoso y tóxico que el cobalto", dijo Hu. "Sin embargo, el problema es que los materiales en capas ricos en níquel comienzan a degradarse después de múltiples ciclos de carga y descarga en una batería.Nuestro objetivo es determinar la causa de esta degradación y proporcionar posibles soluciones ".
Determinar la causa del desvanecimiento de la capacidad
Los materiales de cátodo pueden degradarse de varias maneras. Para los materiales ricos en níquel, el problema es principalmente el desvanecimiento de la capacidad, una reducción en la capacidad de carga y descarga de la batería después del uso. Para comprender completamente este proceso en sus materiales en capas ricos en níquel, ellos científicos necesitaban usar múltiples técnicas de investigación para evaluar el material desde diferentes ángulos.
"Este es un material muy complejo. Sus propiedades pueden cambiar a diferentes escalas de longitud durante el ciclo", dijo Hu. "Necesitábamos comprender cómo cambió la estructura del material durante el proceso de carga y descarga, tanto físicamente como a escala atómica- y químicamente, que involucra múltiples elementos: níquel, cobalto, manganeso, oxígeno y litio ".
Para hacerlo, Hu y sus colegas caracterizaron el material en múltiples instalaciones de investigación, incluidas dos fuentes de luz sincrotrónicas: la Fuente de luz nacional sincrotrón II NSLS-II en Brookhaven y la Fuente de luz de radiación sincrotrón SSRL de Stanford en SLAC.Ambas son instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE.
"En cada escala de longitud en este material, desde angstroms hasta nanómetros y micrómetros, algo está sucediendo durante el proceso de carga y descarga de la batería", dijo el coautor Eli Stavitski, científico de la línea de haz de la Espectroscopía de cubierta interna ISS de NSLS-IIlínea de luz. "Utilizamos una técnica llamada espectroscopía de absorción de rayos X XAS aquí en ISS para revelar una imagen atómica del entorno alrededor de los iones metálicos activos en el material".
Los resultados de los experimentos XAS en NSLS-II llevaron a los investigadores a concluir que el material tenía una estructura robusta que no liberaba oxígeno del bulto, desafiando las creencias previas. En cambio, los investigadores identificaron que la cepa y el trastorno local estaban principalmente asociadoscon níquel
Para investigar más a fondo, el equipo realizó experimentos de microscopía de rayos X de transmisión TXM en SSRL, mapeando todas las distribuciones químicas en el material. Esta técnica produce un conjunto muy grande de datos, por lo que los científicos de SSRL aplicaron el aprendizaje automático aordenar a través de los datos.
"Estos experimentos produjeron una gran cantidad de datos, que es donde entró nuestra contribución informática", dijo el coautor Yijin Liu, científico del personal de SLAC. "No habría sido práctico para los humanos analizar todos estos datos, por lo que desarrollamos un enfoque de aprendizaje automático que buscó en los datos e hizo juicios sobre qué ubicaciones eran problemáticas. Esto nos indicó dónde buscar y guió nuestro análisis ".
Hu dijo: "La conclusión principal que sacamos de este experimento fue que había inhomogeneidades considerables en los estados de oxidación de los átomos de níquel en toda la partícula. Algunos níquel dentro de la partícula mantuvieron un estado oxidado, y probablemente se desactivaron, mientras que el níquel enla superficie se redujo irreversiblemente, disminuyendo su eficiencia "
Experimentos adicionales revelaron pequeñas grietas formadas dentro de la estructura del material .
"Durante el proceso de carga y descarga de la batería, el material del cátodo se expande y se contrae, creando tensión", dijo Hu. "Si esa tensión se puede liberar rápidamente, entonces no causa un problema pero, si no se puede liberar de manera eficiente, entoncespueden ocurrir grietas "
Los científicos creían que posiblemente podrían mitigar este problema sintetizando un nuevo material con una estructura hueca. Probaron y confirmaron esa teoría experimentalmente, así como a través de cálculos. En adelante, el equipo planea continuar desarrollando y caracterizando nuevos materiales paramejorar su eficiencia.
"Trabajamos en un ciclo de desarrollo", dijo Stavitski. "Usted desarrolla el material, luego lo caracteriza para obtener una idea de su rendimiento. Luego regresa a un químico sintético para desarrollar una estructura de material avanzada, y luego se caracterizaeso de nuevo. Es un camino hacia la mejora continua ".
Además, a medida que NSLS-II continúa desarrollando sus capacidades, los científicos planean completar experimentos TXM más avanzados en este tipo de materiales, aprovechando la luz ultrabrillante de NSLS-II.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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