Investigadores de la Universidad de Tohoku (Tohoku University) y del Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (Japan Synchrotron Radiation Research Institute) han aportado nuevos conocimientos sobre la liberación de oxígeno en las baterías de iones de litio, lo que allana el camino hacia unas baterías de alta densidad energética más robustas y seguras.
En un artículo publicado en la revista Advanced Energy Materials, el equipo explica la importancia de desarrollar la próxima generación de baterías que almacenen más energía para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU y lograr la neutralidad del carbono.
Sin embargo, cuanto mayor sea la densidad de energía, mayor será la probabilidad de que se produzca un desbordamiento térmico, es decir, el sobrecalentamiento de las baterías que a veces puede provocar su explosión.
Aunque los científicos saben que el oxígeno liberado por el material activo del cátodo es un factor desencadenante del desbordamiento térmico, los conocimientos sobre este proceso han sido limitados hasta ahora. Pero tras una serie de experimentos, el grupo japonés pudo determinar que son los metales de transición altamente valentes los que desestabilizan el oxígeno de la red en los materiales de las baterías basados en óxido.
Para llegar a esta conclusión, investigaron el comportamiento de liberación de oxígeno y los cambios estructurales correspondientes del material del cátodo de las baterías de iones de litio LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM111).
El NCM111 actuó como material modelo para baterías basadas en óxidos mediante valoración coulométrica y difracciones de rayos X.
Descubrieron que el NCM111 aceptaba un 5 mol% de liberación de oxígeno sin descomponerse y que la liberación de oxígeno inducía un desorden estructural, el intercambio de Li y Ni.
Cuando se libera oxígeno, se reducen los metales de transición níquel, cobalto y manganeso, en el NCM111, disminuyendo así su capacidad de mantener una carga equilibrada en los materiales.
Utilizando la espectroscopia de absorción de rayos X blandos en el BL27SU SPring-8, una instalación de radiación sincrotrón a gran escala operada por el JASRI en Japón, observaron la reducción selectiva de Ni3+ en NCM111 en la etapa inicial de la liberación de oxígeno. Una vez finalizada la reducción del Ni, el Co3+ disminuyó, mientras que el Mn4+ permaneció invariable durante el 5 mol% de liberación de oxígeno.
Según el grupo, los comportamientos de reducción sugieren fuertemente que el NI de alto valor (Ni3+) mejora la liberación de oxígeno.
Para comprobar esta hipótesis, los investigadores prepararon NCM111 modificados que contenían más Ni3+ que el NCM111 original. Descubrieron que el NCM111 presentaba una liberación de oxígeno mucho más severa de lo esperado.
Basándose en esto, el equipo propuso que los metales de transición altamente valentes desestabilizan el oxígeno de la red en los materiales de las baterías basadas en óxido.
“Nuestros hallazgos contribuirán al desarrollo posterior de baterías de alta densidad energética y robustas de próxima generación compuestas por óxidos metálicos”, dijo Takashi Nakamura, uno de los coautores es el trabajo, en una declaración a los medios.
Noticia tomada de: MINING / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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