Nuevo Estudio Revela Causas de Agrietamiento en Baterías y Estrategias de Mitigación

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

Jing Wang, investigadora postdoctoral trabajando con la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne, es la primera autora de un nuevo artículo que descubrió algunas de las causas raíz —y formas de mitigar— las tensiones nanoscópicas que pueden llevar al agrietamiento en una forma cada vez más popular de batería para vehículos eléctricos y otras tecnologías. (Imagen: John Zich)

Misterio Resuelto: Degradación en Cátodos de Monocristal

Una nueva investigación del Laboratorio Nacional Argonne y la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago ha resuelto un gran misterio de las baterías que ha llevado a degradación de capacidad, vida útil acortada y, en algunos casos, incendios.

En un artículo publicado en Nature Nanotechnology, los investigadores descubrieron algunas de las causas raíz —y formas de mitigar— las tensiones nanoscópicas que pueden llevar al agrietamiento 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", dijo uno de los autores correspondientes Khalil Amine, Miembro Distinguido de Argonne y Profesor Conjunto en la Universidad de Chicago. "Si la gente no confía en que las baterías sean seguras y duraderas, no elegirán usarlas."

Debido a los problemas persistentes de agrietamiento en baterías de iones de litio que usan materiales policristalinos ricos en Ni (PC-NMC) en sus cátodos, los investigadores en los últimos años se han volcado hacia óxidos estratificados ricos en Ni de monocristal (SC-NMC). Pero no siempre han mostrado un rendimiento similar o mejor que el modelo anterior.

La nueva investigación, realizada por la primera autora Jing Wang durante su período de doctorado, supervisada 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: se estaban aplicando incorrectamente suposiciones derivadas de cátodos policristalinos a materiales de monocristal.

"Cuando la gente intenta transicionar a cátodos de monocristal, han estado siguiendo principios de diseño similares a los policristalinos", dijo Wang, ahora investigadora postdoctoral con la Universidad de Chicago y Argonne. "Nuestro trabajo identifica que el mecanismo principal de degradación de las partículas de monocristal es diferente al de los policristalinos, lo que lleva a diferentes requisitos de composición."

"No solo se necesitan nuevas estrategias de diseño, sino que también se requerirán diferentes materiales para ayudar a las baterías de cátodo de monocristal a alcanzar su máximo potencial", dijo Meng, quien también es Directora de la Alianza de Investigación de Almacenamiento de Energía (ESRA), basada en Argonne. "Al comprender mejor cómo se degradan diferentes tipos de materiales de cátodo, podemos ayudar a diseñar una suite de materiales de cátodo de alto funcionamiento para las necesidades energéticas del mundo."

Mecanismos de Degradación Diferentes

Mientras una batería de cátodo policristalino se carga y descarga, las diminutas partículas primarias apiladas se hinchan y encogen. Esta expansión y contracción repetida puede ensanchar los límites de grano que separan los policristales, similar a como el congelamiento y descongelamiento repetido crea baches en las calles. "Típicamente, sufrirá alrededor del 5 al 10 por ciento de expansión o contracción de volumen", dijo Wang. "Una vez que una expansión o contracción excede los límites elásticos, conducirá al agrietamiento de la partícula."

Si las grietas se ensanchan demasiado, el electrolito puede entrar, lo que puede llevar a reacciones secundarias no deseadas y liberación de oxígeno, lo que plantea preocupaciones de seguridad, incluyendo el riesgo de fuga térmica. Pero, salvo esas circunstancias dramáticas, un efecto más cotidiano es la degradación de capacidad —las baterías se desvanecen con el tiempo, volviéndose cada vez más incapaces de entregar la misma carga que cuando eran nuevas. Como no están hechas de muchos cristales apilados, los materiales de cátodo de monocristal no tienen esos límites de grano iniciales, pero aún se degradaban.

"Demostramos que la degradación en cátodos NMC de monocristal está gobernada predominantemente por un modo de fallo mecánico distinto", dijo otro autor correspondiente, Tongchao Liu, químico en 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 de la decadencia del rendimiento en estos materiales."

Utilizando técnicas de rayos X de sincrotrón multi-escala y un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución, descubrieron que el agrietamiento en cátodos de monocristal es impulsado principalmente por heterogeneidad de reacción. Las partículas experimentaban reacciones a diferentes velocidades, causando tensión no entre muchos cristales como en diseños policristalinos, sino dentro de uno solo.

El Papel del Cobalto y Manganeso

Los cátodos policristalinos son un acto de equilibrio de níquel, manganeso y cobalto. El cobalto causa agrietamiento pero era necesario para mitigar un problema separado —el desorden Li/Ni.

Al construir y probar una batería níquel-cobalto (sin manganeso) y una níquel-manganeso (sin cobalto), el equipo encontró que, para cátodos de monocristal, lo opuesto era cierto. El manganeso era más perjudicial mecánicamente que el cobalto y el cobalto en realidad 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 real es encontrar materiales menos costosos que repliquen los buenos resultados del cobalto.

"Los avances vienen en ciclos", dijo Amine. "Resuelves un problema, luego pasas al siguiente. Los insights delineados en este artículo colaborativo ayudarán a futuros investigadores a crear materiales más seguros y duraderos para las baterías del mañana."

Para más información, contacte a Khalil Amine en This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..