Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (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, denominado NMC (óxido de níquel, manganeso y cobalto). Una batería con este cátodo ahora alimenta el Chevrolet Bolt.
Investigadores de Argonne han logrado otro avance significativo en los cátodos NMC. La nueva estructura de partículas de cátodo, de tamaño reducido, desarrollada por el equipo, podría hacer que la batería sea más duradera y segura, capaz de operar a voltajes muy altos y ofrecer mayor autonomía.
“Ahora contamos con directrices que los fabricantes de baterías pueden utilizar para fabricar materiales catódicos de alta presión y sin bordes”, afirmó Khalil Amin, investigador emérito de Argonne.
“Los cátodos NMC actuales representan un obstáculo importante para el trabajo con alto voltaje”, 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 formas de reparar estas grietas.
Un método anterior utilizaba diminutas partículas esféricas compuestas por muchas partículas mucho más pequeñas. Las partículas esféricas grandes son policristalinas, con dominios cristalinos de diversas orientaciones. Como resultado, presentan lo que los científicos denominan límites de grano entre partículas, lo que puede provocar que la batería se agriete durante un ciclo de carga y descarga. Para evitar esto, los colegas de Xu y Argonne habían desarrollado previamente un recubrimiento polimérico protector alrededor de cada partícula. Este recubrimiento rodea las partículas esféricas grandes y las partículas más pequeñas que contienen.
Otra forma de evitar este tipo de agrietamiento es utilizar partículas monocristalinas. La microscopía electrónica de estas partículas demostró que no tienen límites definidos.
El problema para el equipo radicaba en que los cátodos fabricados con policristales recubiertos y monocristales seguían agrietándose durante los ciclos de carga y descarga. Por lo tanto, llevaron a cabo 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 los Estados Unidos.
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). Se descubrió que lo que los científicos creían que era un monocristal, según lo revelado por la microscopía electrónica y de rayos X, en realidad presentaba un límite interno. La microscopía electrónica de barrido y de transmisión de los CNM confirmó esta conclusión.
“Cuando analizamos la morfología superficial 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.”
Es importante destacar que el equipo ha desarrollado un método para producir monocristales sin límites. Las pruebas realizadas en celdas pequeñas con este cátodo monocristalino a voltajes muy altos mostraron un aumento del 25 % en el almacenamiento de energía por unidad de volumen, prácticamente sin pérdida de rendimiento durante 100 ciclos de prueba. En contraste, los cátodos NMC compuestos de monocristales multiinterfaz o policristales recubiertos mostraron una disminución de la capacidad de entre el 60 % y el 88 % durante el mismo período de vida útil.
Los cálculos a escala atómica revelan el mecanismo de reducción de la capacitancia del cátodo. Según Maria Chang, nanocientífica del CNM, los límites de la celda son más propensos a perder átomos de oxígeno durante la carga que las zonas más alejadas. Esta pérdida de oxígeno provoca la degradación del ciclo de la celda.
“Nuestros cálculos demuestran cómo el límite puede provocar la liberación de oxígeno a alta presión, lo que puede conllevar una reducción del rendimiento”, dijo Chan.
La eliminación de la barrera impide la evolución de oxígeno, mejorando así la seguridad y la estabilidad cíclica del cátodo. Las mediciones de evolución de oxígeno realizadas 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 directrices que los fabricantes de baterías pueden utilizar para fabricar materiales catódicos sin límites que funcionen a alta presión”, afirmó Khalil Amin, investigador 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 catódicos 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 para Nanomateriales El Centro para Nanomateriales, uno de los cinco centros de investigación en nanotecnología del Departamento de Energía de los Estados Unidos, es la principal institución nacional para usuarios de investigación interdisciplinaria a nanoescala, con el apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. En conjunto, los NSRC conforman un conjunto de instalaciones complementarias que brindan a los investigadores capacidades de vanguardia para la fabricación, el procesamiento, la caracterización y el modelado de 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 Estados Unidos en Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia y Los Alamos. Para obtener más información sobre el NSRC del Departamento de Energía, visite https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-aGlance.
La Fuente Avanzada de Fotones (APS) del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne es una de las fuentes de rayos X más productivas del mundo. La APS proporciona rayos X de alta intensidad a una diversa comunidad de investigación en ciencia de materiales, química, física de la materia condensada, ciencias biológicas 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 de importancia técnica de todo tipo, desde baterías hasta boquillas de inyectores de combustible, que son vitales para nuestra economía nacional, tecnología y salud. Cada año, más de 5000 investigadores utilizan la APS para publicar más de 2000 artículos que detallan descubrimientos importantes y resuelven más estructuras de proteínas biológicas importantes que los usuarios de cualquier otro centro de investigación de rayos X. Los científicos e ingenieros de la 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, muy 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 la APS. La investigación genera enormes volúmenes de datos.
Este estudio utilizó recursos de Advanced Photon Source, un centro de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos, operado por el Laboratorio Nacional Argonne para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos bajo el contrato número DE-AC02-06CH11357.
El Laboratorio Nacional Argonne se dedica a resolver los problemas más acuciantes de la ciencia y la tecnología nacionales. Como primer laboratorio nacional de Estados Unidos, Argonne lleva a cabo investigación básica y aplicada de vanguardia en prácticamente todas las disciplinas científicas. Los investigadores de Argonne colaboran estrechamente con investigadores de cientos de empresas, universidades y agencias federales, estatales y municipales para ayudarles a resolver problemas específicos, impulsar el liderazgo científico estadounidense y preparar a la nación para un futuro mejor. Argonne emplea a personas de más de 60 países y es gestionado por UChicago Argonne, LLC, dependiente de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos.
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