Los científicos han descubierto que la formación de “agujeros de oxígeno” degrada significativamente los materiales catódicos ricos en Ni en las baterías de iones de litio. Utilizando técnicas computacionales avanzadas, identificaron un mecanismo para la pérdida de oxígeno y propusieron dopantes para mejorar la estabilidad y la longevidad de la batería.
Los científicos han logrado avances significativos en la comprensión y la superación de los desafíos asociados con los materiales catódicos ricos en Ni utilizados en las baterías de iones de litio.
Aunque estos materiales pueden alcanzar altos voltajes y capacidades, su uso en el mundo real se ha visto limitado por problemas estructurales y el agotamiento de oxígeno.
El estudio reveló que la formación de un «agujero de oxígeno», donde un ión de oxígeno pierde un electrón, desempeña un papel crucial en la degradación de los cátodos de LiNiO2, acelerando la liberación de oxígeno que puede degradar aún más el material del cátodo.
Utilizando un conjunto de técnicas computacionales de última generación en supercomputadoras regionales del Reino Unido, los investigadores examinaron el comportamiento de los cátodos de LiNiO2 a medida que se cargan. Descubrieron que durante la carga, el oxígeno en el material cambia, mientras que la carga de níquel permanece esencialmente sin cambios.
El coautor, el profesor Andrew J. Morris de la Universidad de Birmingham, comentó: “Descubrimos que la carga de los iones de níquel permanece alrededor de +2, independientemente de si están en forma cargada o descargada. Al mismo tiempo, la carga de oxígeno varía de -1,5 a aproximadamente -1. Esto es inusual, el modelo convencional supone que el oxígeno permanece en -2 durante la carga, pero estos cambios muestran que el oxígeno no es muy estable y encontramos un camino para que salga del cátodo rico en níquel”.
Los investigadores compararon sus cálculos con datos experimentales y descubrieron que sus resultados estaban en línea con lo observado. Propusieron un mecanismo para la pérdida de oxígeno durante este proceso, que implica la combinación de radicales de oxígeno para formar un ion peróxido, que luego se convierte en oxígeno gaseoso, dejando vacantes en el material. Este proceso libera energía y forma oxígeno singlete, una forma de oxígeno altamente reactiva.
“Potencialmente, al agregar dopantes que reducen el oxígeno redox y al mismo tiempo promueven el redox de los metales de transición, particularmente en la superficie, mitigando la generación de oxígeno singlete, podemos aumentar la estabilidad y la longevidad de este tipo de baterías de iones de litio, allanando el camino para más sistemas de almacenamiento de energía eficientes y fiables”, añade la primera autora, la Dra. Annalena Genreith-Schriever, de la Universidad de Cambridge.
Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente para diversas aplicaciones debido a su alta densidad de energía y capacidad de recarga, pero los desafíos asociados con la estabilidad de los materiales catódicos han obstaculizado su rendimiento general y su vida útil.
Referencia: “La formación de orificios de oxígeno controla la estabilidad en cátodos de LiNiO2” por Annalena R. Genreith-Schriever, Hrishit Banerjee, Ashok S. Menon, Euan N. Bassey, Louis FJ Piper, Clare P. Gray y Andrew J. Morris, 19 de julio , 2023 , Joule.
DOI: 10.1016/j.julio.2023.06.017
