Un nuevo estudio descubre las causas del agrietamiento de las baterías y las estrategias de mitigación

Universidad de Chicago, Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular, Chicago, IL

Jing Wang, investigador postdoctoral que trabaja con la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne, es el primer autor de un nuevo artículo que descubrió algunas de las causas fundamentales (y formas de mitigar) las tensiones nanoscópicas que pueden provocar grietas en una forma cada vez más popular de batería para vehículos eléctricos y otras tecnologías. (Imagen:John Zich)

Una nueva investigación del Laboratorio Nacional Argonne y la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago ha resuelto un importante misterio de las baterías que ha provocado una degradación de la capacidad, una vida útil más corta y, en algunos casos, un incendio.

En un artículo publicado en Nature Nanotechnology , los investigadores descubrieron algunas de las causas fundamentales (y formas de mitigar) las tensiones nanoscópicas que pueden provocar grietas en una forma cada vez más popular de batería para vehículos eléctricos y otras tecnologías.

"La electrificación de la sociedad necesita la contribución de todos", afirmó uno de los autores correspondientes, Khalil Amine, miembro distinguido de Argonne y profesor adjunto de la Universidad de Chicago, "si la gente no confía en que las baterías sean seguras y duraderas, no elegirán usarlas".

Debido a los problemas de agrietamiento de larga data en las baterías de iones de litio que utilizan materiales policristalinos ricos en Ni (PC-NMC) en sus cátodos, en los últimos años los investigadores han recurrido a óxidos en capas monocristalinos ricos en Ni (SC-NMC). Pero no siempre han mostrado un rendimiento similar o mejor que el modelo anterior.

La nueva investigación, realizada por el primer autor Jing Wang durante su doctorado. El período, supervisado conjuntamente por el Laboratorio de Almacenamiento y Conversión de Energía de la profesora Shirley Meng y el equipo de Tecnología Avanzada de Baterías de Amine, reveló el problema subyacente:las suposiciones extraídas de cátodos policristalinos se estaban aplicando incorrectamente a materiales monocristalinos.

"Cuando la gente intenta hacer la transición a cátodos monocristalinos, ha seguido principios de diseño similares a los de policristal", dijo Wang, ahora investigador postdoctoral que trabaja con la Universidad de Chicago y Argonne. "Nuestro trabajo identifica que el principal mecanismo de degradación de las partículas monocristalinas es diferente al de las policristalinas, lo que conduce a diferentes requisitos de composición".

"No sólo se necesitan nuevas estrategias de diseño, sino que también se necesitarán diferentes materiales para ayudar a las baterías catódicas monocristalinas a alcanzar su máximo potencial", dijo Meng, quien también es director de la Energy Storage Research Alliance (ESRA), con sede 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 funcionamiento para las necesidades energéticas del mundo".

A medida que una batería de cátodo de policristal se carga y descarga, las pequeñas partículas primarias apiladas se hinchan y encogen. Esta expansión y contracción repetidas pueden ampliar los límites de los granos que separan los policristales, de manera similar a cómo las heladas y descongelaciones repetidas crean baches en las calles de la ciudad. "Por lo general, sufrirá entre un cinco y un 10 por ciento de expansión o contracción del volumen", dijo Wang. "Una vez que la expansión o contracción excede los límites elásticos, provocará que la partícula se agriete".

Si las grietas se ensanchan demasiado, puede entrar electrolito, lo que puede provocar reacciones secundarias no deseadas y liberación de oxígeno, lo que puede generar problemas de seguridad, incluido el riesgo de fuga térmica. Pero, salvo esas circunstancias dramáticas, un efecto más cotidiano es la degradación de la capacidad:las baterías se desgastan con el tiempo y se vuelven cada vez más incapaces de entregar la misma carga que cuando eran nuevas. Dado que no están hechos de muchos cristales apilados, los materiales catódicos monocristalinos no tienen esos límites de grano iniciales, pero aún así se degradan.

"Demostramos que la degradación en cátodos NMC monocristalinos se rige predominantemente por un modo de falla mecánico distinto", dijo otro autor correspondiente, Tongchao Liu, químico de Argonne. "Al identificar este mecanismo previamente subestimado, este trabajo establece un vínculo directo entre la composición del material y las vías de degradación, proporcionando una visión más profunda de los orígenes del deterioro del rendimiento en estos materiales".

Utilizando técnicas de rayos X de sincrotrón de múltiples escalas y un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución, descubrieron que el craqueo en cátodos monocristalinos se debe principalmente a la heterogeneidad de la reacción. Las partículas experimentaban reacciones a diferentes velocidades, lo que provocaba tensión no entre muchos cristales como ocurre con los diseños de policristales, sino dentro de uno.

Los cátodos de policristal son un acto de equilibrio entre níquel, manganeso y cobalto. El cobalto provoca grietas, pero era necesario para mitigar un problema distinto:el trastorno de Li/Ni.

Al construir y probar una batería de níquel-cobalto (sin manganeso) y una batería de níquel-manganeso (sin cobalto), el equipo descubrió que, para los cátodos monocristalinos, ocurría lo contrario. El manganeso era más perjudicial mecánicamente que el cobalto y el cobalto realmente ayudaba a que las baterías duraran más.

El cobalto, sin embargo, es más caro que el níquel o el manganeso. Wang dijo que el siguiente paso del equipo para convertir esta innovación de laboratorio en un producto del mundo real es encontrar materiales menos costosos que reproduzcan los buenos resultados del cobalto.

"Los avances se producen en ciclos", dijo Amine. "Se resuelve un problema y luego se pasa al siguiente. Los conocimientos descritos en este artículo colaborativo ayudarán a los futuros investigadores a crear materiales más seguros y duraderos para las baterías del mañana".

Para obtener más información, comuníquese con Khalil Amine en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para verlo..