Una estrategia escalable para sintetizar cátodos de cristal único más puros y de mejor rendimiento.

14 de abril de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Los ingenieros de energía y los científicos de materiales continúan intentando crear tecnologías de baterías seguras que exhiban densidades y eficiencias de energía más altas, junto con ciclos de vida más largos. Como las baterías de iones de litio (LiBs) son una de las tecnologías de baterías más extendidas, muchos esfuerzos de investigación actuales se centran en mejorar los componentes individuales de estas baterías, incluidos los cátodos, los electrodos positivos dentro de las células de la batería.

La mayoría de los cátodos propuestos para LiBs tienen morfologías policristalinas, lo que significa que están compuestos de múltiples partículas cristalinas diferentes. Si bien estos cátodos son fáciles de fabricar a gran escala, son propensos a agrietarse durante el ciclo de la batería, lo que puede aislar algunos materiales activos en su interior, exponiéndolos a electrolitos líquidos y potencialmente degradando el rendimiento de la batería.

Los cátodos de un solo cristal, basados en partículas cristalinas de tamaño de grano único, podrían ayudar a superar esta limitación crucial de los cátodos policristalinos. Sin embargo, la fabricación confiable de ellos mediante procesos escalables hasta ahora ha resultado desafiante.

Investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) en Corea del Sur presentaron recientemente una nueva estrategia escalable para sintetizar cátodos de un solo cristal con una alta pureza de fase y un buen rendimiento electroquímico. Esta estrategia, presentada en Nature Energy, consiste en usar sales de Li fundido para corroer los límites entre los granos más pequeños y transformarlos en cristales más grandes, lo que resulta en cátodos estratificados de un solo cristal.

'Limitados por el rango de temperatura accesible para evitar la evaporación de litio, los defectos cristalinos y las aglomeraciones de partículas, la producción de cátodos de un solo cristal con alta pureza de fase, buen rendimiento electroquímico y escalabilidad sigue siendo desafiante', dijeron Moonsu Yoon, Yanhao Dong y sus colegas a Tech Xplore.

'Inventamos un nuevo proceso de activación mecanoquímica que ofrece una solución general al enigma de sintetizar cátodos de un solo cristal grueso con una química rica en Li-/Mn- o Ni- que difieren de las rutas mecanoquímicas intensas en energía y en equipos que requieren mucho tiempo y son difíciles de escalar'.

La estrategia para la síntesis de cátodos de un solo cristal propuesta por Yoon, Dong y sus colegas se basa en una técnica de deaglomeración centrífuga planetaria. El equipo mostró que esta estrategia podría permitir la producción escalable de cátodos de un solo cristal a partir de materiales fáciles de obtener, ya que están disponibles comercialmente.

'Nuestro enfoque se basa en el mojado reactivo interfacial, mediado por sales eutécticas transitorias fundidas in situ por agitaciones mecánicas moderadas, para formar una suspensión coloidal de óxidos de tamaño nano dispersos en sales de litio liquidadas', escribieron Yoon, Dong y sus colegas en su artículo. 'Deaglomera eficientemente los precursores policristalinos, reempaqueta los cristales y homogeniza la distribución de sales de litio, lo que permite una fácil coalescencia de partículas más tarde en la morfología de un solo cristal con mejor rendimiento electroquímico'.

Es importante destacar que las sales de Li fundido utilizadas por los investigadores pueden producir la reacción deseada sin necesidad de productos químicos adicionales. Su estrategia de síntesis también se puede integrar fácilmente con los procesos de fabricación de cátodos existentes, lo que podría facilitar en gran medida su adopción generalizada.

Este estudio reciente podría informar pronto el desarrollo de estrategias adicionales para crear cátodos de un solo cristal altamente efectivos para LiBs. Colectivamente, estas estrategias podrían ayudar a superar las limitaciones de los cátodos existentes, contribuyendo a la creación de soluciones de batería cada vez más avanzadas.

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