Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) cuentan con una larga trayectoria de descubrimientos pioneros en el campo de las baterías de iones de litio. Muchos de estos resultados se refieren al cátodo de la batería, llamado NMC, compuesto por óxido de níquel, manganeso y cobalto. Una batería con este cátodo ahora alimenta el Chevrolet Bolt.
Los investigadores de Argonne han logrado otro avance en cátodos de NMC. La nueva estructura de partículas catódicas diminutas del equipo podría aumentar la durabilidad y la seguridad de la batería, permitiéndole operar a voltajes muy altos y ofrecer una mayor autonomía.
“Ahora contamos con una guía que los fabricantes de baterías pueden utilizar para crear materiales catódicos sin bordes y de alta presión”, afirma Khalil Amin, miembro emérito de Argonne.
“Los cátodos de NMC existentes representan un obstáculo importante para el trabajo de alta tensión”, afirmó el químico asistente Guiliang Xu. Con los ciclos de carga y descarga, el rendimiento disminuye rápidamente debido a la formación de grietas en las partículas del cátodo. Durante décadas, los investigadores de baterías han buscado maneras de reparar estas grietas.
Un método anterior utilizaba diminutas partículas esféricas compuestas de muchas partículas mucho más pequeñas. Las partículas esféricas grandes son policristalinas, con dominios cristalinos de diversas orientaciones. Como resultado, presentan lo que los científicos llaman límites de grano entre partículas, lo que puede provocar que la batería se agriete durante un ciclo. Para evitar esto, los colegas de Xu y Argonne habían desarrollado previamente un recubrimiento protector de polímero alrededor de cada partícula. Este recubrimiento rodea tanto las partículas esféricas grandes como las partículas más pequeñas dentro de ellas.
Otra forma de evitar este tipo de agrietamiento es utilizar partículas monocristalinas. La microscopía electrónica de estas partículas mostró que no tienen límites.
El problema para el equipo era que los cátodos de policristales recubiertos y monocristales seguían agrietándose durante el ciclo. Por lo tanto, realizaron un análisis exhaustivo de estos materiales catódicos en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) y el Centro de Nanomateriales (CNM) del Centro Científico Argonne del Departamento de Energía de EE. UU.
Se realizaron diversos análisis de rayos X en cinco brazos de APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C y 34-ID-E). Resulta que lo que los científicos creían que era un monocristal, como se observaba mediante microscopía electrónica y de rayos X, en realidad tenía un límite en su interior. La microscopía electrónica de barrido y transmisión de los CNM confirmó esta conclusión.
"Cuando observamos la morfología de la superficie de estas partículas, parecían monocristales", dijo el físico Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X我们发现边界隐藏在内部. â� <“但是 ， 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 和 其他 时 ， 我们发现 边界 隐藏 在.“Sin embargo, cuando utilizamos una técnica llamada microscopía de difracción de rayos X de sincrotrón y otras técnicas en APS, descubrimos que los límites estaban ocultos en el interior”.
Cabe destacar que el equipo ha desarrollado un método para producir monocristales sin límites. Las pruebas de celdas pequeñas con este cátodo monocristalino a voltajes muy altos mostraron un aumento del 25 % en el almacenamiento de energía por unidad de volumen, sin prácticamente ninguna pérdida de rendimiento durante 100 ciclos de prueba. En cambio, los cátodos NMC compuestos por monocristales multiinterfaz o policristales recubiertos mostraron una disminución de la capacidad del 60 % al 88 % durante la misma vida útil.
Los cálculos a escala atómica revelan el mecanismo de reducción de la capacitancia catódica. Según Maria Chang, nanocientífica del CNM, los límites tienen mayor probabilidad de perder átomos de oxígeno cuando la batería se carga que las áreas más alejadas. Esta pérdida de oxígeno provoca la degradación del ciclo celular.
"Nuestros cálculos muestran cómo el límite puede provocar que se libere oxígeno a alta presión, lo que puede reducir el rendimiento", dijo Chan.
La eliminación del límite previene la evolución de oxígeno, mejorando así la seguridad y la estabilidad cíclica del cátodo. Las mediciones de evolución de oxígeno con APS y una fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. confirman esta conclusión.
“Ahora contamos con pautas que los fabricantes de baterías pueden utilizar para fabricar materiales catódicos que no tengan límites y funcionen a alta presión”, afirmó Khalil Amin, miembro emérito de Argonne. â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料。” â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料。”“Las directrices deberían aplicarse a materiales de cátodo distintos del NMC”.
Un artículo sobre este estudio apareció en la revista Nature Energy. Además de Xu, Amin, Liu y Chang, los autores de Argonne son Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du y Zonghai Chen. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li y Zengqing Zhuo), la Universidad de Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang y Shi-Gang Sun) y la Universidad de Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng y Mingao Ouyang).
Acerca del Centro Argonne de Nanomateriales El Centro de Nanomateriales, uno de los cinco centros de investigación en nanotecnología del Departamento de Energía de los EE. UU., es la principal institución usuaria nacional para la investigación interdisciplinaria a nanoescala apoyada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU. Juntos, los NSRC forman un conjunto de instalaciones complementarias que brindan a los investigadores capacidades de vanguardia para fabricar, procesar, caracterizar y modelar materiales a nanoescala y representan la mayor inversión en infraestructura bajo la Iniciativa Nacional de Nanotecnología. El NSRC está ubicado en los Laboratorios Nacionales del Departamento de Energía de los EE. UU. en Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia y Los Alamos. Para obtener más información sobre el NSRC DOE, visite https://​science​.osti​.gov/​Us​er​-​F​a​c​i​lit​​​​​ie​s​/ ​Us​ er​-​F​a​c​i​l​it​ie​ie​s​-​at​-a​Glance.
La Fuente Avanzada de Fotones (APS) del Departamento de Energía de los EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne es una de las fuentes de rayos X más productivas del mundo. APS proporciona rayos X de alta intensidad a una comunidad de investigación diversa en ciencia de los materiales, química, física de la materia condensada, ciencias de la vida y ambientales, e investigación aplicada. Estos rayos X son ideales para estudiar materiales y estructuras biológicas, la distribución de elementos, estados químicos, magnéticos y electrónicos, y sistemas de ingeniería técnicamente importantes de todo tipo, desde baterías hasta boquillas de inyectores de combustible, que son vitales para nuestra economía nacional, tecnología y cuerpo. La base de la salud. Cada año, más de 5000 investigadores utilizan APS para publicar más de 2000 publicaciones que detallan descubrimientos importantes y resuelven estructuras de proteínas biológicas más importantes que los usuarios de cualquier otro centro de investigación de rayos X. Los científicos e ingenieros de APS están implementando tecnologías innovadoras que son la base para mejorar el rendimiento de los aceleradores y las fuentes de luz. Esto incluye dispositivos de entrada que producen rayos X extremadamente brillantes apreciados por los investigadores, lentes que enfocan los rayos X hasta unos pocos nanómetros, instrumentos que maximizan la forma en que los rayos X interactúan con la muestra en estudio y la recopilación y gestión de los descubrimientos de APS. La investigación genera enormes volúmenes de datos.
Este estudio utilizó recursos de Advanced Photon Source, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. operado por el Laboratorio Nacional Argonne para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. bajo el contrato número DE-AC02-06CH11357.
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