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Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China Oriental (ECUST) ha descubierto una manera de hacer que las baterías de iones de litio sean más baratas y mejores. Han desarrollado una estrategia única que les permite aumentar la estabilidad del cátodo rico en níquel en las baterías de iones de litio.

Las baterías de iones de litio se componen de cuatro componentes principales; cátodo, electrolito, separador y ánodo. El cátodo y el ánodo de la batería están recubiertos con materiales especiales para mejorar su estabilidad, conductividad y densidad de energía. Se cree que recubrir el cátodo con una capa rica en níquel podría dar lugar a baterías de iones de litio de alta energía más avanzadas.

Los investigadores sugieren que tales baterías tendrán un mejor rendimiento electroquímico y costarán menos que las baterías de iones de litio que se utilizan actualmente. Sin embargo, los cátodos recubiertos de níquel son muy inestables y provocan una disminución significativa de la capacidad de la batería a largo plazo.

"En este momento, el uso de baterías de iones de litio está limitado principalmente por la capacidad específica limitada de su material de cátodo. Los cátodos en capas ricos en níquel siempre sufren una rápida disminución de la capacidad debido a la inestabilidad estructural e interfacial que se produce con el largo operación a largo plazo", señalan los investigadores.

La estrategia recién propuesta puede solucionar este problema.

El estudio actual no es el primer intento de hacer que los cátodos ricos en níquel funcionen. Dado que las baterías de iones de litio de alto rendimiento tienen una gran demanda debido al rápido crecimiento del mercado de vehículos eléctricos, los científicos han estado tratando de superar los problemas de estabilidad durante algún tiempo. Sin embargo, la mayoría de estos esfuerzos se han centrado en el recubrimiento de superficies o en el dopaje de elementos.

Los autores del estudio creen que tales métodos unidireccionales no son suficientes para superar la "inestabilidad estructural e interfacial" de los cátodos ricos en níquel. Además, estas soluciones a menudo reducen la capacidad de la batería en lugar de resolver el problema. Por ejemplo, el dopaje de un solo elemento en su mayoría no logra detener la reacción entre el cátodo y el electrolito.

Provoca la descomposición de electrolitos que eventualmente conduce a una disminución significativa en la vida útil y el rendimiento de la vida útil de una batería de iones de litio. Por lo tanto, los investigadores propusieron una estrategia de modificación dual que promete hacer que los cátodos ricos en níquel sean estables y factibles a largo plazo.

El cátodo de su batería viene dopado con titanio y recubierto con una capa de níquel que contiene dióxido de litio e itrio (Li YO2). Esta doble modificación se logra a través de un método de sinterización que aplica calor y presión y convierte todo (revestimiento, material dopado y cátodo) en una masa sólida.

Los investigadores probaron este cátodo usando difracción de rayos X y microscopía electrónica. Estas pruebas revelaron que el cátodo modificado era estructuralmente estable y retenía mejor la capacidad de la batería que un cátodo normal. Después de 100 y 500 ciclos de carga, el cátodo modificado dual tuvo una capacidad de retención del 96,3 % y 86,8 %, respectivamente.

Si aún no ha podido comprender completamente este proceso de modificación dual de un solo paso, aquí hay una explicación simple: los fuertes enlaces titanio-oxígeno que resultan del dopaje en realidad mejoran la estabilidad del cátodo. Mientras que el revestimiento rico en níquel LiYO2 previene con éxito la degradación de electrolitos y otras reacciones secundarias perjudiciales que suelen ser responsables de la capacidad de disipación de las baterías de iones de litio.

Los investigadores ahora planean probar el rendimiento de su cátodo modificado dual en entornos desafiantes. "Se estudiará la estabilidad en condiciones extremadamente duras para garantizar la seguridad del material y facilitar su aplicación comercial", dijo Hao Jiang, uno de los autores del estudio y profesor de ECUST, en un comunicado de prensa.

El profesor Jiang y su equipo también tienen como objetivo hacer que este proceso sea escalable para que las baterías con el cátodo modificado dual pronto puedan estar disponibles comercialmente.

El estudio se publica en la revista Particuology.