Un equipo de investigación dirigido por el Prof. Kyu Young Park del Instituto de Graduados en Tecnología de Ecomateriales y Ferrosos y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el candidato a doctorado Kyung Eun Lee y la ex alumna Yura del Instituto de Graduados en Ecomateriales y Ferrosos. La tecnología de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), en colaboración con POSCO Holdings N.EX.T Hub, ha demostrado recientemente una tecnología de síntesis de monocristal que extiende significativamente la vida útil de los materiales catódicos para vehículos eléctricos. Fue publicado en la edición en línea del estudio. Contenido e interfaz de ACSUna revista internacional en el campo de la ciencia de materiales.
Las baterías secundarias de litio (Li), comúnmente utilizadas en vehículos eléctricos, almacenan energía convirtiendo la energía eléctrica en energía química y la energía química en energía eléctrica mediante el movimiento de electrones entre el cátodo y el ánodo para generar electricidad. Estas baterías secundarias utilizan principalmente material catódico de níquel (Ni) debido a su alta capacidad de almacenamiento de iones de litio. Los materiales convencionales a base de níquel tienen una morfología policristalina que consta de muchos cristales pequeños que pueden sufrir degradación estructural durante la carga y descarga, lo que reduce significativamente su vida útil.
Una forma de resolver este problema es fabricar el material del cátodo en forma de “monocristal”. La formación de materiales catódicos a base de níquel como una partícula grande, o “cristal único”, puede aumentar su estabilidad y durabilidad estructural y química. Se sabe que los materiales monocristalinos se sintetizan y endurecen a altas temperaturas. Sin embargo, el proceso exacto de endurecimiento durante la síntesis y las condiciones específicas bajo las cuales ocurre no están claros.
Para mejorar la durabilidad de los materiales de cátodos de níquel para vehículos eléctricos, los investigadores se centraron en identificar una temperatura específica, llamada “temperatura crítica”, a la que se pueden sintetizar materiales monocristalinos de alta calidad. Investigaron diferentes temperaturas de síntesis para determinar las condiciones óptimas para formar monocristales en la síntesis de un material catódico a base de níquel (N884). El equipo observó sistemáticamente los efectos de la temperatura sobre la capacidad del material y su rendimiento a largo plazo.
Los investigadores descubrieron que los materiales policristalinos convencionales sintetizados por debajo de una cierta temperatura crítica se degradan con el uso prolongado en baterías secundarias. Sin embargo, cuando se sintetizan por encima de esta temperatura crítica, se pueden producir fácilmente monocristales de alta calidad, lo que da lugar a materiales con una gran longevidad. Esto se debe a un proceso llamado “densificación” que ocurre por encima de cierta temperatura crítica. Durante este proceso, el tamaño del grano interno del material aumenta y los huecos dentro del material se llenan densamente. Los monocristales densificados son extremadamente duros y resistentes a la degradación durante largos períodos de tiempo, lo que aumenta significativamente su durabilidad. Basándose en estos resultados, el equipo confirmó que sintetizar monocristales por encima de la temperatura crítica es una estrategia de diseño de materiales más ventajosa. También propusieron un método eficaz para la síntesis de materiales monocristalinos de alta calidad.
“Hemos introducido una nueva estrategia de síntesis para aumentar la durabilidad de los materiales catódicos a base de níquel”, dijo Kyu Young Park, profesor de POSTECH. “Continuaremos nuestra investigación para hacer que las baterías secundarias para vehículos eléctricos sean asequibles, rápidas y duraderas”, añadió.
