Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne y de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de UChicago (UChicago PME) han identificado la fuente de un problema crónico de la batería relacionado con la pérdida de capacidad, una vida útil más corta y, en algunos casos, incendios. Los resultados aclaran por qué algunas baterías avanzadas de iones de litio fallan más rápido de lo esperado y cómo se pueden minimizar esas fallas.
Obras publicadas Nanotecnología de la naturalezaExplica cómo se pueden acumular tensiones internas extremadamente pequeñas dentro de los materiales de la batería y provocar grietas. Estos efectos son particularmente importantes para las baterías utilizadas en vehículos eléctricos y otras tecnologías de alta demanda, donde la durabilidad y la seguridad son importantes.
“Electrificar la sociedad requiere la contribución de todos”, dijo uno de los autores correspondientes, Khalil Amin, miembro distinguido de Argonne y profesor adjunto de la Universidad de Chicago, “si la gente no cree que las baterías sean seguras y duraderas, no elegirán usarlas”.
¿Por qué los nuevos materiales para baterías se quedan cortos?
Durante años, los ingenieros han luchado contra el agrietamiento de las baterías de iones de litio utilizando materiales policristalinos ricos en níquel (PC-NMC) en sus cátodos. Estos materiales están hechos de muchos pequeños granos de cristal empaquetados juntos, y la carga y descarga repetidas pueden provocar su fractura. Para evitar este problema, los investigadores comenzaron a recurrir a óxidos estratificados monocristalinos ricos en níquel (SC-NMC), que no tienen límites de grano internos.
A pesar de lo prometedor, los cátodos monocristalinos no siempre han funcionado tan bien como se esperaba. Una nueva investigación explica por qué. Durante su trabajo de doctorado en UChicago PME a través del programa GRC, Jing Wang estuvo dirigido por la supervisión conjunta del Laboratorio de Almacenamiento y Conversión de Energía de la profesora Shirley Meng y el equipo de Tecnología Avanzada de Baterías de Amin.
El equipo descubrió que las reglas de diseño para cátodos policristalinos se estaban aplicando incorrectamente a materiales monocristalinos. Descubrieron que ese desajuste estaba en el centro del problema de rendimiento.
A través del programa GRC y la Red de Transición Energética de UChicago, Wang ha colaborado estrechamente con científicos de laboratorios nacionales y socios industriales para avanzar en la investigación.
“Cuando las personas intentan convertirse en cátodos monocristalinos, siguen principios de diseño similares a los de los policristales”, dijo Wang, ahora investigador postdoctoral que trabaja con UChicago y Argonne. “Nuestro trabajo identifica que los principales mecanismos de degradación de las partículas monocristalinas son diferentes de los de los policristales, lo que lleva a diferentes requisitos de composición”.
Revisión del diseño y materiales de la batería.
Los hallazgos desafían tanto las técnicas tradicionales de diseño de baterías como las suposiciones sobre qué componentes ayudan o perjudican el rendimiento. En particular, la investigación cambia la comprensión de cómo el cobalto y el manganeso afectan las fallas mecánicas dentro de las baterías.
“No sólo se necesitarán nuevas técnicas de diseño, sino también diferentes materiales para ayudar a que las baterías catódicas monocristalinas alcancen su máximo potencial”, afirmó Meng, quien también dirige la Energy Storage Research Alliance (ESRA) en Argonne. “Al comprender mejor cómo se degradan los diferentes tipos de materiales catódicos, podemos ayudar a diseñar un conjunto de materiales catódicos de alto rendimiento para las necesidades energéticas del mundo”.
Cómo se forman las grietas en los cátodos de las baterías
En los cátodos policristalinos, las partículas apiladas se expanden y contraen repetidamente como resultado de la carga y descarga. Con el tiempo, este movimiento puede ampliar los límites entre los granos, de forma muy parecida al ciclo de congelación y descongelación de las superficies de las carreteras.
“Normalmente, experimentará una expansión o contracción del volumen de alrededor del 5 al 10%”, dijo Wang. “Una vez que una expansión o contracción excede el límite elástico, provocará el agrietamiento de las partículas”.
Cuando la grieta es lo suficientemente grande, puede filtrarse electrolito líquido. Esto puede desencadenar reacciones químicas no deseadas y emisiones de oxígeno, lo que aumenta los riesgos de seguridad, incluida la fuga térmica. Incluso sin una falla dramática, el resultado gradual es una pérdida de capacidad, a medida que las baterías pierden gradualmente su capacidad de retener la misma cantidad de carga.
Los cátodos monocristalinos no tienen límites de grano, por lo que inicialmente los investigadores esperaban evitar estos problemas. En cambio, descubrieron que todavía se producía degradación, pero por una razón diferente.
Un modo de fallo diferente dentro de un único cristal
El equipo de PME de Argonne y UChicago demostró que el daño a los cátodos NMC monocristalinos sigue un mecanismo de falla mecánico distinto.
“Demostramos que la degradación de los cátodos NMC monocristalinos se rige principalmente por un modo de falla mecánico distinto”, dijo otro autor correspondiente, Tongchao Liu, químico de Argon. “Al caracterizar este mecanismo que antes faltaba, este trabajo establece un vínculo directo entre la composición del material y las vías de degradación, proporcionando una visión más profunda de los orígenes de la degradación del rendimiento en estos materiales”.
Utilizando técnicas de rayos X de sincrotrón de múltiples escalas y un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución, los investigadores observaron que las reacciones dentro de las partículas monocristalinas no ocurren de manera uniforme. Diferentes regiones reaccionan a diferentes velocidades, creando tensiones internas dentro de una sola partícula en lugar de tensiones entre múltiples granos.
Una batería monocristal requiere material invertido
En cátodos policristalinos, los ingenieros equilibran cuidadosamente el níquel, el manganeso y el cobalto. El cobalto promueve el craqueo, pero también ayuda a reducir un problema separado conocido como trastorno de Li/Ni.
Para comprobar cómo cambia este equilibrio en materiales monocristalinos, el equipo desarrolló y evaluó dos diseños experimentales. Uno usa níquel y cobalto sin manganeso, el otro usa níquel y manganeso sin cobalto. Los resultados trastocan el pensamiento convencional. En los cátodos monocristalinos, el manganeso causa más daño mecánico, mientras que el cobalto en realidad mejora la durabilidad y extiende la vida útil de la batería.
El cobalto es caro en comparación con el níquel y el manganeso. El próximo desafío, dijo Wang, es identificar materiales más asequibles que puedan proporcionar los mismos beneficios que el cobalto.
“Llegan ciclos de avance”, dijo Amin. “Se resuelve un problema y luego se pasa al siguiente. Los conocimientos descritos en este artículo colaborativo ayudarán a los futuros investigadores de Argonne, UChicago PME y otros lugares a desarrollar materiales seguros y duraderos para las baterías del mañana”.
