Los investigadores predicen materiales para baterías de iones de litio estables con alta capacidad de grabación

Un equipo de investigación de la Universidad Northwestern ha encontrado una forma de estabilizar baterías nuevas, que tienen una alta capacidad de grabación. Basado en un cátodo de óxido de manganeso y litio, este avance puede extender la vida útil de los teléfonos inteligentes y los vehículos que funcionan con baterías en más de dos veces.

“Este electrodo de batería ha alcanzado una de las capacidades más altas jamás reportadas en todos los electrodos a base de óxido de metal de transición, y actualmente es más del doble de la capacidad material de un teléfono celular o computadora portátil”, dijo Jerome B. Christopher Wolfton. El profesor Cohen, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Ingeniería Northwest McCormick, responsable del estudio, dijo: "Esta alta capacidad representará un gran paso adelante en las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos".

El estudio fue publicado en línea el 14 de mayo en Science Advances.

Las baterías de iones de litio funcionan transportando iones de litio de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo. El cátodo está hecho de un compuesto que contiene iones de litio, un metal de transición y oxígeno. El metal de transición (generalmente cobalto) almacena y libera energía eléctrica de manera efectiva a medida que se mueve desde el ánodo al cátodo y viceversa. La capacidad del cátodo está entonces limitada por la cantidad de electrones en el metal de transición involucrado en la reacción.

Un equipo de investigación francés informó por primera vez sobre compuestos de óxido de manganeso y litio de gran capacidad en 2016. Al reemplazar el cobalto tradicional con manganeso más barato, el equipo desarrolló un electrodo más barato que más del doble de capacidad. Pero esto no está exento de desafíos. Durante los dos primeros ciclos, el rendimiento de la batería se redujo significativamente y los investigadores no la consideraron comercialmente viable. Tampoco comprenden completamente las fuentes químicas de gran volumen o degradadas.

Después de descripciones detalladas del mapa atómico del átomo del cátodo, el equipo de Wolfton descubrió la razón detrás de la alta capacidad del material: obliga al oxígeno a participar en el proceso de reacción. Además de los metales de transición, la batería tiene una mayor capacidad para almacenar y utilizar litio mediante el uso de oxígeno para almacenar y liberar energía eléctrica.

A continuación, el equipo de Northwest centró su atención en estabilizar la batería para evitar su rápida degradación.

"Con el conocimiento del proceso de carga, utilizamos cálculos de alto rendimiento para escanear la tabla periódica de elementos y encontrar nuevas formas de sintetizar este compuesto con otros elementos que mejoran el rendimiento de la batería", dice ZhenpengYao, quien es el primer autor del artículo. y ex médico, estudiantes de Wolfton Labs.

El cálculo identificó dos elementos: cromo y vanadio. El equipo predice que mezclar los elementos con óxido de litio y manganeso dará como resultado un compuesto estable que mantendrá la alta capacidad del cátodo como nunca antes. A continuación, Wolfton y sus colaboradores probarán estos compuestos teóricos de forma experimental en el laboratorio.

El estudio fue apoyado por el Centro de Ciencias de la Energía Electroquímica, un Centro de Investigación de Frontera Energética DE-AC02-06CH11357 financiado por el Departamento de Ciencias Energéticas Básicas de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Yao, investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard, y SooKim, becario postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, son ex miembros del laboratorio Wolfton y el primer autor del artículo.

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