Los cátodos de óxido de metal de transición rico en litio (Li1+X M 1-X O2 ) tienen potencial para usarlos en las baterías de iones de litio, dispositivos eléctricos y vehículos eléctricos.
Estos cátodos tienen una alta densidad de energía, típicamente superior a 900 Wh kg -1, pero actualmente también tienen limitaciones significativas.
El problema más crucial observado en la mayoría de los cátodos ricos en Litio es que liberan oxígeno a los electrolitos y, por lo tanto, su voltaje decae mientras se usan. Esta limitación significativa ha impedido su uso generalizado durante años.
Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology, MIT por sus siglas en inglés) han ideado recientemente una estrategia que podría ayudar a superar este problema, inmunizando las partículas de cátodo de óxido rico en Li contra la liberación de oxígeno. Esta nueva estrategia, descrita en un artículo publicado en Nature Energy, implica un tratamiento de sales fundidas que elimina la liberación de oxígeno de los cristales individuales ricos en Li a los electrolitos al hacer que la región de la superficie sea pobre en Li, al tiempo que permite contribuciones redox de oxígeno estables dentro del partículas
“Nuestro objetivo principal era utilizar la capacidad del oxígeno para las reacciones redox sin hacer que los iones de oxígeno reducidos (es decir, “peroxo” y “tipo superoxo” ) sean globalmente móviles, lo que significa que pueden escapar de la superficie de las partículas del cátodo y reaccionar con el electrolito dentro de una batería”, dijo al portal TechXplore Ju Li, uno de los investigadores que realizó el estudio.
Los iones de oxígeno reducidos dentro de los cátodos ricos en Li se parecen un poco a los complejos metal-peroxo y metal-superoxo; compuestos a través de los cuales la sangre transporta oxígeno en animales. Las especies peroxo (O–) y superoxo (O0.5-), si bien contribuyen con su capacidad, tienen una movilidad mucho mayor que la O2- estándar. En los cátodos Li 1+X M 1-X O2. Estos iones de oxígeno pueden moverse libremente y finalmente escapar de las partículas del cátodo, reaccionando y contaminando el electrolito líquido.
Para evitar que esto suceda, Ju Li y sus colegas implementaron un tratamiento que involucra la extracción de óxido de litio (LiO) usando sal de molibdato fundido a altas temperaturas. Descubrieron que este tratamiento permite que la superficie gane la composición Li 1-X ‘ M 1+X’ O2 sin interrumpir la continuidad de la red o crear defectos excesivos (epitaxiales), eliminando así el peroxo (O–) y el superoxo (O0.5-) especies cerca de la superficie, evitando que los cristales individuales ricos en Li liberen oxígeno a los electrolitos.
“Realizamos un tratamiento de inmunización, por lo que las regiones de una superficie de aproximadamente ~ 10 nm de espesor se agotan de oxígeno y, por lo tanto, serían más estables en el ciclo de la batería”, dijo Li.
Continua Li: “El tratamiento de inmunización se realizó a una temperatura alta de 700 °C, por lo que a medida que extraemos oxígeno y litio, la red se repara por sí misma mediante el recocido térmico y pasa suavemente de rico en Li a pobre en Li, sin defectos adicionales y sin perder la red perfecta coherencia de la partícula monocristalina”.
La estrategia de inmunización desarrollada por Li y sus colegas no afecta los estados de valencia del metal y la estructura de los cristales ricos en Li dentro del cátodo, por lo tanto, mantiene una contribución estable de capacidad de anión-redox de oxígeno (O2- ↔ O–) mientras una batería está operando. En las pruebas que evaluaron su estrategia, los investigadores encontraron que resultó en un cátodo híbrido aniónico y catiónico-redox (HACR) con una densidad específica o 843 Wh kg-1 después de 200 ciclos a 0.2 C y 808 Wh kg -1 después de 100 ciclos a 1C, con una mínima liberación de oxígeno y, por lo tanto, un menor consumo del electrolito en la batería.
“Nuestro estudio demuestra que es posible reciclar una celda llena de batería con muy poca cantidad de electrolito (nivel industrial de 2 g (electrolito) / Ah), lo que indica que hemos detenido la pérdida de oxígeno mientras utilizamos la capacidad redox del oxígeno”, dijo Li. “Este llamado concepto de batería de ‘oxígeno sólido’ tiene el potencial de duplicar la densidad de energía de los cátodos”.
Al reducir la liberación de oxígeno típicamente observada en los cátodos ricos en Li, la estrategia ideada por Li y sus colegas podría eventualmente facilitar la comercialización y el uso generalizado de baterías a base de litio alimentadas por estos cátodos. Curiosamente, el tratamiento de inmunización descrito en su estudio también podría aplicarse a otros elementos, ayudando a suprimir o prevenir reacciones superficiales inesperadas en las baterías. En sus próximos estudios, los investigadores planean ampliar la síntesis en la batería basada en cátodos rica en Li y mejorar aún más la densidad comprimida de los cátodos HACR.
Noticia de: Tech Xplore / Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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