Los ‘agujeros’ de oxígeno podrían ser la clave para baterías EV de mayor rendimiento

El níquel ya se usa en baterías de iones de litio, pero aumentar la proporción de níquel podría mejorar significativamente la densidad de energía de la batería, haciéndola especialmente adecuada para vehículos eléctricos y almacenamiento a escala de red. Sin embargo, las aplicaciones prácticas de estos materiales se han visto limitadas por la inestabilidad estructural y la tendencia a perder átomos de oxígeno, lo que provoca la degradación y el fallo de la batería.

Los investigadores, dirigidos por la Universidad de Cambridge y la Universidad de Birmingham, descubrieron que la formación de «agujeros de oxígeno», donde un ion de oxígeno pierde un electrón, juega un papel crucial en la degradación de los materiales de batería ricos en níquel. Estos agujeros de oxígeno aceleran la liberación de oxígeno que puede degradar aún más el cátodo de la batería, uno de sus dos electrodos. Sus resultados se informan en la revista Joule.

Usando un conjunto de técnicas computacionales en supercomputadoras regionales del Reino Unido, los investigadores examinaron el comportamiento de los cátodos ricos en níquel mientras se cargaban. Descubrieron que durante la carga, el oxígeno en el material sufre cambios mientras que la carga de níquel permanece esencialmente sin cambios.

“Descubrimos que la carga de los iones de níquel permanece alrededor de +2, independientemente de si está en su forma cargada o descargada”, dijo el profesor Andrew J Morris, de la Universidad de Birmingham, quien codirigió la investigación. “Al mismo tiempo, la carga del oxígeno varía de -1,5 a aproximadamente -1.

«Esto es inusual, el modelo convencional asume que el oxígeno permanece en -2 durante la carga, pero estos cambios muestran que el oxígeno no es muy estable y hemos encontrado una vía para que abandone el cátodo rico en níquel».

Los investigadores compararon sus cálculos con datos experimentales y descubrieron que sus resultados se alineaban bien con lo observado. Propusieron un mecanismo de cómo se pierde el oxígeno durante este proceso, que involucra 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 compuestos que cambian las reacciones electroquímicas del oxígeno a los metales de transición, especialmente en la superficie de los materiales de la batería, podemos prevenir la formación de oxígeno singulete», dijo la primera autora, Dra. Annalena Genreith-Schriever, del Departamento de Química de Yusuf Hamied. “Esto mejorará la estabilidad y la longevidad de estas baterías de iones de litio, allanando el camino para sistemas de almacenamiento de energía más eficientes y confiables”.

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 del cátodo han obstaculizado su rendimiento general y su vida útil.

La investigación fue financiada en parte por la Institución Faraday, el principal programa de investigación de baterías del Reino Unido.

Referencia:
Annalena R Genreith-Schriever et al. ‘La formación de orificios de oxígeno controla la estabilidad en cátodos de LiNiO2: estudios DFT de pérdida de oxígeno y formación de oxígeno singlete en baterías de iones de litio’. Julio (2023). DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.017

Adaptado de un comunicado de prensa de la Universidad de Birmingham.