Un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge y la Universidad de Liverpool, junto con la instalación nacional británica de radiación sincrotrón Diamond Light Source, han descubierto una de las razones por las que los materiales de baterías ricos en níquel se desgastan y no pueden ser recargados completamente tras el uso prolongado, un paso clave para diseñar métodos efectivos para mejorar la vida útil de las baterías.
Los resultados, publicados en Nature Materials, son el primer paso hacia nuevas estrategias para mejorar la vida útil de las baterías. Las baterías de ion litio parece que dominarán el mercado de los vehículos eléctricos en un futuro próximo, y los cátodos de litio ricos en níquel son la alternativa basada en la última tecnología.
Actualmente, la mayoría de las baterías de vehículos eléctricos contienen cantidades significativas de cobalto en los materiales del cátodo. Sin embargo, el cobalto puede causar un daño ambiental severo, por lo que los investigadores han estado buscando reemplazarlo con níquel, que ofrece capacidades prácticas más altas que el cobalto. Sin embargo, los materiales ricos en níquel se degradan mucho más rápido que la tecnología existente y requieren estudios adicionales para ser comercialmente viables para aplicaciones como los vehículos eléctricos.
Resultados obtenidos de la investigación
Para monitorizar los cambios en los materiales de la batería en tiempo real durante varios meses de ensayo de la batería, los investigadores utilizaron tecnología láser para diseñar una nueva pila de botón. Durante el estudio, los investigadores encontraron que una proporción del material del cátodo se fatiga después de la carga y descarga repetidas de la pila, aumentando a medida que el ciclo de carga y descarga continúa.
A nivel atómico, los científicos explican que para funcionar completamente, los materiales de la batería deben expandirse y contraerse a medida que los iones de litio entran y salen. Sin embargo, después de un uso prolongado, descubrieron que los átomos en la superficie del material se habían reordenado para formar nuevas estructuras que ya no pueden almacenar energía. Además, estas estructuras aparentemente impiden que el resto del material se contraiga para alcanzar el estado de carga completa. Como resultado, el litio permanece ‘atascado’ y el material fatigado puede contener menos carga.
Con este conocimiento, los investigadores ahora están buscando contramedidas efectivas, como revestimientos protectores y aditivos de electrolitos funcionales, para mitigar este proceso de degradación y extender la vida útil de tales baterías.