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La tecnología de un solo cristal es prometedora para las baterías de iones de litio

Los investigadores crean cátodos de alto rendimiento, monocristalinos, ricos en níquel, identifican la causa del dañino "deslizamiento de los cristales" en las baterías que alimentan los vehículos eléctricos

Una prometedora tecnología que está siendo desarrollada por los principales fabricantes de baterías se ha vuelto aún más atractiva, gracias a los investigadores que han estudiado de forma sin precedentes una barrera clave para conseguir mejores baterías de iones de litio de mayor duración.

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de los Estados Unidos informan de nuevos hallazgos sobre cómo hacer más resistente y eficiente un cátodo de un solo cristal rico en níquel. El trabajo del equipo sobre el cátodo, un componente crítico en las baterías de iones de litio que son comunes en los vehículos eléctricos hoy en día, aparece en la edición del 11 de diciembre de la revista Science.

Investigadores de todo el mundo están trabajando para crear baterías que entreguen más energía, duren más y sean menos costosas de producir. Las baterías de iones de litio mejoradas son fundamentales para una mayor adopción de los vehículos eléctricos.

Los desafíos son muchos. La simple apariencia de una batería desmiente su complejidad, y controlar las complejas interacciones moleculares en su interior es esencial para que el dispositivo funcione correctamente. Las constantes reacciones químicas pasan factura, limitando la duración de la batería e influyendo en su tamaño, coste y otros factores.

La promesa de un cátodo rico en níquel: Más capacidad de energía

Los científicos están trabajando en formas de almacenar más energía en los materiales del cátodo aumentando el contenido de níquel. El níquel está en la mesa de dibujo de los fabricantes de baterías de iones de litio, en gran parte debido a su costo relativamente bajo, su amplia disponibilidad y su baja toxicidad en comparación con otros materiales clave para baterías, como el cobalto.

"Los materiales de cátodo ricos en níquel tienen un potencial real para almacenar más energía", dijo Jie Xiao, autor correspondiente del artículo y líder del grupo del programa de investigación de baterías del PNNL. "Pero el despliegue a gran escala ha sido un desafío".

Mientras que el níquel es muy prometedor, en grandes cantidades puede plantear problemas en las baterías. Cuanto más níquel haya en la red del material, menos estable es el cátodo. Un alto contenido de níquel puede aumentar las reacciones secundarias no deseadas, dañando el material y haciendo muy difícil su almacenamiento y manipulación.

Explotar todos los beneficios de más níquel y al mismo tiempo minimizar los inconvenientes supone un desafío.

Actualmente, el cátodo más común rico en níquel es en forma de policristales - agregados de muchos nanocristales en una partícula más grande. Estos tienen ventajas para almacenar y descargar energía más rápidamente. Pero los policristales a veces se rompen durante ciclos repetidos. Esto puede dejar gran parte de la superficie expuesta al electrolito, acelerando las reacciones químicas no deseadas inducidas por el alto contenido de níquel y generando gas. Este daño irreversible da como resultado una batería con un cátodo rico en níquel que falla más rápido y plantea problemas de seguridad.

De cristales simples, cubitos de hielo y baterías de iones de litio

Científicos como Xiao intentan evitar muchos de estos problemas creando un cátodo de un solo cristal, rico en níquel. Los investigadores del PNNL desarrollaron un proceso para cultivar cristales de alto rendimiento en sales fundidas - cloruro de sodio, sal común de mesa - a alta temperatura.
¿Cuál es la ventaja de un solo cristal en comparación con un material policristalino? Piensa en mantener tu comida fresca mientras acampas. Un bloque de hielo sólido se derrite mucho más lentamente que la misma cantidad de hielo que viene en pequeños cubos; el bloque de hielo es más resistente a los daños causados por las altas temperaturas y otras fuerzas externas.

Es similar con los cátodos ricos en níquel: Un agregado de pequeños cristales es mucho más vulnerable a su entorno que un solo cristal bajo ciertas condiciones, especialmente cuando hay un alto contenido de níquel, ya que el níquel es propenso a inducir reacciones químicas no deseadas. Con el tiempo, con repetidos ciclos de batería, los agregados son finalmente pulverizados, arruinando la estructura del cátodo. Esto no es tanto un problema cuando la cantidad de níquel en el cátodo es menor; en tales condiciones, un cátodo policristalino que contenga níquel ofrece una gran potencia y estabilidad. El problema se hace más pronunciado, sin embargo, cuando los científicos crean un cátodo con más níquel, un cátodo realmente rico en níquel.