MATEMÁTICAS, FÍSICA Y QUÍMICA: Física

Cómo mejorar la síntesis de materiales para las baterías de ión-litio

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Con la ayuda de los sincrotrones europeos ALBA y DESY, un grupo internacional de científicos ha descrito los procesos de transformación que se producen durante la síntesis de los óxidos laminares ricos en litio, utilizados como cátodo en las baterías de iones de litio. Estos materiales de bajo coste demostraron una capacidad y velocidad muy altas, convirtiéndose en candidatos prometedores para el desarrollo de los vehículos eléctricos y los sistemas de almacenamiento de energía. 

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SINC | | 16 abril 2019 12:54

<p>En el gráfico (a), espectros de resonancia magnética nuclear del <sup>7</sup>Li, espectros de absorción de rayos X (b-c), imágenes de microscopía mostrando cambios morfológicos (d-f), esquema que representa los cambios estructurales de los óxidos laminares ricos en litio durante el proceso de calentamiento (g). / Sincrotrón ALBA</p>

En el gráfico (a), espectros de resonancia magnética nuclear del 7Li, espectros de absorción de rayos X (b-c), imágenes de microscopía mostrando cambios morfológicos (d-f), esquema que representa los cambios estructurales de los óxidos laminares ricos en litio durante el proceso de calentamiento (g). / Sincrotrón ALBA

Las baterías de iones de litio están presentes en muchos de los dispositivos electrónicos que se usan a diario. Se cargan y descargan cuando los iones de litio se desplazan entre el ánodo y el cátodo que conecta la batería. Cuanto mayor es la cantidad de iones de litio que contiene el cátodo, mayor capacidad de almacenamiento de energía tiene la batería.

Se presenta una tecnología para sintetizar óxidos laminares ricos en litio, utilizados como cátodo en las baterías de iones de litio

Una gran parte de estas baterías contienen un cátodo formado por litio y cobalto, un elemento difícil de obtener, altamente tóxico y la materia prima más cara de este tipo de baterías. Además, los cátodos con cobalto tienen un rendimiento limitado, ya que solamente utilizan alrededor del 50% de la capacidad total del material. De ahí que la comunidad científica busque nuevas soluciones para desarrollar cátodos ricos en litio sin cobalto.

Ahora, un grupo de investigación internacional compuesto por el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, el Centro de Investigación Jülich, la Universidad Técnica de Munich (Alemania), la Universidad de Sichuan (China), la Universidad de Wollongong (Australia), junto con científicos del Sincrotrón ALBA y DESY (Alemania) ha desarrollado una tecnología para sintetizar óxidos laminares ricos en litio.

“Estos compuestos son muy prometedores para ser utilizados como cátodos en la próxima generación de baterías de iones de litio porque funcionan a altos voltajes y ofrecen capacidades mayores. Eso significa que baterías más pequeñas podrán entregar más energía. Sin embargo, su ciclo de vida sigue siendo limitado, lo que reduce sus aplicaciones. Sus propiedades electroquímicas están directamente relacionadas con su composición de fases y su preparación. Por eso es clave investigarlos a fondo”, dice Björn Schwarz, investigador del Instituto de Tecnología de Karlsruhe.

Un método escalable

Los expertos han propuesto un método escalable para la síntesis de estos materiales: un sistema de coprecipitación seguido de un proceso de calentamiento mediante microondas. Además de describir detalladamente el proceso, el experimento ha demostrado que los materiales sintetizados con este método tienen alta una capacidad de almacenamiento de energía así como una rápida velocidad de descarga, siendo aproximadamente 10 veces más rápido que las baterías convencionales. Esto es muy importante en dispositivos como los coches eléctricos, ya que para acelerar necesitan mucha energía en pocos segundos.

Durante la investigación, se utilizaron varias técnicas de luz de sincrotrón en ALBA y DESY para comprender de manera integral la transformación de los precursores durante la síntesis de estos materiales.

Los experimentos con luz de sincrotrón permitieron determinar los cambios estructurales y químicos que tenían lugar durante la síntesis de estos materiales

"La luz de sincrotrón ha sido muy útil para seguir la reacción en tiempo real y determinar cómo cambia su estructura", dice Aleksandr Missiul, investigador postdoctoral en la línea de luz de MSPD del Sincrotrón ALBA y coautor de la publicación. “Al mismo tiempo, la espectroscopia de absorción de rayos X realizada en la línea de luz CLAESS de ALBA pudo identificar los cambios químicos que se producen durante la síntesis", dice Laura Simonelli, coautora y responsable de CLAESS.

MSPD se ha convertido en una línea de luz líder en Europa para este tipo de estudios y la complementariedad entre MSPD y CLAESS es una ventaja. Las mediciones de rayos X también se realizaron en PETRA III en DESY. La microscopía electrónica de barrido, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear y los estudios electroquímicos completaron el estudio. Las mediciones de rayos X también se realizaron en PETRA III en DESY. Análisis de microscopía electrónica de barrido, espectroscopía de resonancia magnética nuclear y estudios electroquímicos completaron la investigación.

"Comprender cómo reaccionan estos cátodos permitirá diseñar futuros materiales para usar como cátodos en las baterías de iones de litio de la próxima generación", dice Weibo Hua, investigador del Instituto de Tecnología de Karlsruhe y coautor del trabajo, publicado en portada de la revista Advance Science News.

Referencia bibliográfica:

"Lithium/Oxygen Incorporation and Microstructural Evolution during Synthesis of Li-Rich Layered Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2 Oxides". Hua W, Chen M, Schwarz B, Knapp M, Bruns M, Barthel J, Yang X, Sigel F, Azmi R, Senyshyn A, Missiul A, Simonelli L, Etter M, Wang S, Mu X, Fiedler A, Binder J R, Guo X, Chou S, Zhong B, Indris S, Ehrenberg H (2019) Advanced Energy Materials. 9. 1803094. 10.1002/aenm.201803094.

Zona geográfica: España
Fuente: Sincrotrón ALBA

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