Los cátodos ricos en níquel ofrecen resultados prometedores para alargar la vida útil de las baterías de los vehículos eléctricos

20 diciembre 2023

Un método rentable para sintetizar cátodos monocristalinos de alta energía y ricos en níquel podría abrir el cuello de botella que afecta a la capacidad energética y al coste de las celdas de las baterías de iones de litio. Esto, a su vez, podría aumentar la capacidad de los vehículos eléctricos para almacenar más energía por carga y soportar más ciclos de carga.

Sin embargo, los cátodos de NMC con alto contenido en níquel formados con el método estándar se aglomeran en estructuras policristalinas que son ásperas y grumosas. Esta textura de albóndiga tiene sus ventajas en la NMC normal. Sin embargo, a partir del NMC811, las fisuras bulbosas del policristal tienden a romperse, provocando fallos en el material.

Esto hace que las baterías fabricadas con estos cátodos ricos en níquel sean susceptibles de agrietarse; también empiezan a producir gases y se descomponen más rápido que los cátodos con menos níquel.

En un artículo publicado en la revista Energy Storage Materials, investigadores del Pacific Northwest National Laboratory y Albemarle Corporation explican que los cátodos de visión rica en níquel de las baterías convencionales de los vehículos eléctricos utilizan un cóctel de óxidos metálicos: óxidos de litio, níquel, manganeso y cobalto (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2), abreviados NMC. Cuando se incorpora más níquel a un cátodo, aumenta enormemente la capacidad de la batería para almacenar energía y, por tanto, la autonomía del EVs. Por ello, las NMC ricas en níquel (como la NMC811, en la que el “8” indica un 80% de níquel) son de gran interés e importancia.

Una estrategia para solucionar este problema es convertir esa NMC grumosa y policristalina en una forma lisa y monocristalina eliminando los límites problemáticos entre los cristales, pero esta conversión es más fácil de decir que de hacer. En los laboratorios, los monocristales se cultivan en entornos como sales fundidas o reacciones hidrotérmicas que producen superficies cristalinas lisas. Sin embargo, estos entornos son poco prácticos para la fabricación de cátodos en el mundo real, donde se prefieren métodos de estado sólido más económicos.

En estos métodos más típicos de estado sólido, un cátodo de NMC se prepara mezclando un precursor de hidróxido metálico con sal de litio, mezclando y calentando directamente esos hidróxidos y produciendo el NMC policristalino aglomerado (en grumos). El uso de un proceso de calentamiento de múltiples pasos da lugar a cristales de tamaño micrométrico, que siguen estando aglomerados, por lo que persisten los efectos secundarios indeseables.

Paso de precalentamiento

Para resolver estos problemas, el equipo de investigación introdujo un paso de precalentamiento que cambia la estructura y las propiedades químicas del hidróxido de metal de transición. Cuando el hidróxido de metal de transición precalentado reacciona con la sal de litio para formar el cátodo, crea una estructura monocristalina uniforme de NMC que parece lisa, incluso bajo aumento.

“El proceso de calentamiento de los precursores en un solo paso parece sencillo, pero implica una interesante transición de fase a nivel atómico para hacer posible la segregación de un solo cristal”, explica Yujing Bi, primer autor del artículo. “También es conveniente que la industria lo adopte”.

Bi y sus colegas están ampliando este monocristal de NMC811 a un nivel de un kilogramo utilizando sal de litio suministrada por Albemarle. Los monocristales a escala se probaron en pilas de iones de litio de 2 Ah realistas, utilizando un ánodo de grafito estándar para asegurarse de que el nuevo cátodo dictaba principalmente el rendimiento de la pila.

El prototipo de batería equipado con los cristales individuales a escala era estable, incluso después de 1.000 ciclos de carga y descarga. Cuando los investigadores observaron la estructura microscópica de los cristales después de 1.000 ciclos, no encontraron defectos y sí una estructura electrónica perfectamente alineada.

“Se trata de un importante avance que permitirá utilizar las baterías de litio de mayor densidad energética sin degradación”, declaró Stan Whittingham, premio Nobel y distinguido profesor de Química de la Universidad de Binghamton. “Además, este avance en las baterías de larga duración será fundamental para su uso en vehículos que puedan conectarse a la red eléctrica para hacerla más resistente y apoyar las fuentes de energía renovables limpias”.

Aumento de escala

El método de síntesis del cátodo monocristalino rico en níquel es innovador y rentable. También es fácil de ampliar, ya que permite a los fabricantes de cátodos utilizar las instalaciones de producción existentes para producir cómodamente NMC811 monocristalino, e incluso cátodos con más del 80% de níquel.

“Se trata de un avance fundamental en la producción a gran escala de materiales monocristalinos para cátodos”, afirma Jie Xiao, investigador principal del proyecto. “Este trabajo es sólo una parte de la tecnología de cátodos que estamos desarrollando en el PNNL. En colaboración con Albemarle, estamos abordando los retos científicos de la síntesis y escalado de monocristales y reduciendo el coste de fabricación a partir de materias primas.”

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