Investigaciones recientes revelan un papel previamente subestimado del oxígeno en la limitación del rendimiento de las baterías de iones de litio.
Aunque las baterías de iones de litio ya están alimentando muchos de los dispositivos de los que dependemos todos los días y su presencia en vehículos y redes eléctricas es incrementando rapidamente, la tecnología todavía tiene algunas deficiencias en lo que respecta al rendimiento y la longevidad.
Gran parte de la investigación en curso para mejorar las tecnologías de baterías actuales se centra en trabajando con nuevos materiales, también manteniendo la cadena de suministro y las preocupaciones ambientales relacionadas con varios materiales comúnmente investigados. Pero sea cual sea el material que se utilice, las nuevas técnicas sofisticadas que permitan a los científicos observar los mecanismos que funcionan dentro de la batería con todo detalle serán esenciales para comprender dónde están ocurriendo los problemas que impiden el rendimiento y cómo solucionarlos.
Dos estudios separados utilizaron estas técnicas para examinar el papel del oxígeno en el rendimiento de las baterías de iones de litio.
Ya se sabía que a medida que la batería se carga y descarga, se liberan pequeñas cantidades de oxígeno. Pero la pequeña escala de este proceso hace que sea difícil de observar y los efectos más amplios de la pérdida de oxígeno no se comprenden bien.
«La cantidad total de fuga de oxígeno, más de 500 ciclos de carga y descarga de la batería, es del 6%», dijo Peter Csernica, científico de Universidad Stanford que trabajó en uno de los estudios. «No es un número tan pequeño, pero si intenta medir la cantidad de oxígeno que sale durante cada ciclo, es aproximadamente una centésima parte del uno por ciento».
En el estudio dirigido por Universidad Stanford, el grupo cortó electrodos de batería abiertos después de ciclar y digitalizaron muestras usando un microscopio de rayos X; y lo combinó con imágenes de computadora para observar la estructura a nanoescala. También dispararon rayos X a través de electrodos completos para confirmar que sus observaciones a nanoescala podrían aplicarse a todo el componente. Los resultados de este análisis se publicaron en Energía de la naturaleza. El grupo descubrió que el oxígeno se libera inicialmente en una «explosión» desde la superficie y luego un «goteo» más lento desde el interior del cátodo.
Y encontraron que la liberación de oxígeno cambia fundamentalmente la estructura del cátodo. Cuando el oxígeno sale, los átomos de manganeso, níquel y cobalto circundantes migran mientras todos los átomos bailan alejándose de sus posiciones ideales. «Esta reordenación de iones metálicos, junto con los cambios químicos causados por la falta de oxígeno, degrada el voltaje y la eficiencia de la batería con el tiempo», dijo el profesor asociado de Stanford William Chueh. «La gente conoce aspectos de este fenómeno desde hace mucho tiempo, pero el mecanismo no estaba claro».
carga equilibrada
En un estudio separado, publicado en Materiales energéticos avanzados, Científicos liderados por japoneses Universidad de Tohoku encontró que, en un cátodo basado en cantidades iguales de níquel, cobalto y manganeso, la liberación de oxígeno facilita varias reacciones no deseadas que deterioran la estructura de la batería. También encontraron que la presencia de níquel altamente valente en el cátodo conducía a niveles más altos de liberación de oxígeno y que el proceso general reduce la capacidad de la batería para mantener una carga equilibrada. (La valencia es una medida de la capacidad de un elemento para combinarse con otros átomos).
Los descubrimientos deberían conducir al desarrollo de baterías de próxima generación robustas y de alta densidad de energía compuestas de óxidos de metales de transición, dijo. Universidad de Tohoku investigador Takashi Nakamura.
Al resaltar el papel que juega el oxígeno en la degradación de la batería y confirmar que puede ser una pieza del rompecabezas más importante de lo que se pensaba anteriormente, ambos estudios pueden proporcionar la base para el trabajo futuro destinado a limitar la pérdida de oxígeno durante el ciclismo. Y los efectos dañinos que esto tiene un batería.
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