La prevención de la liberación de oxígeno proporciona a las baterías de iones de litio una alta densidad de energía.

La liberación de oxígeno de los materiales de la batería puede provocar una fuga térmica. Crédito: Takashi Nakamura

Un grupo de investigación ha obtenido nuevos conocimientos sobre la liberación de oxígeno en las baterías de iones de litio, allanando el camino para una mayor densidad de energía, baterías más potentes y más seguras.

Las baterías de próxima generación que almacenan más energía son fundamentales para que la sociedad alcance los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas y la neutralidad de carbono. Sin embargo, cuanto mayor sea la densidad de energía, mayor será el potencial de fuga térmica, es decir, sobrecalentamiento de las baterías que a veces puede hacer que la batería explote.

El oxígeno liberado del material del cátodo activo es un catalizador para el escape térmico, sin embargo, nuestro conocimiento de este proceso es insuficiente.

Investigadores de la Universidad de Tohoku y el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI) investigaron el comportamiento de liberación de oxígeno y los cambios estructurales de los materiales del cátodo de las baterías de iones de litio LiNi.1/3Participar1/3Minnesota1/3a2 (NCM111). NCM111 sirvió como un material de batería típico a base de óxido al calibrar la coulometría y la difracción de rayos X.

Los investigadores descubrieron que NCM111 acepta 5 moles de liberación de oxígeno sin descomposición y que la liberación de oxígeno causa perturbaciones estructurales, intercambiando Li y Ni.

Cuando se libera oxígeno, reduce los metales de transición (Ni, Co y Mn en NCM111), reduciendo su capacidad para mantener una carga equilibrada en los materiales.

Para evaluar esto, el grupo de investigación utilizó espectroscopía de absorción de rayos X suaves en el BL27SU SPring-8, una instalación de radiación de sincrotrón a gran escala operada por JASRI en Japón.

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Tenga en cuenta que soy selectivo3+ Una disminución de NCM111 en la primera etapa de liberación de oxígeno. Una vez completada la reducción de níquel, Co3+ disminuyó, mientras que Mn4+ Permaneció estable durante la liberación de 5 moles de oxígeno.

Los comportamientos de reducción sugieren fuertemente que la mayor valencia NI (Ni3+) dijo Takashi Nakamura, coautor del artículo.

Para probar esta hipótesis, Nakamura y sus colegas prepararon un NCM111 modificado que contenía más níquel3+ Del NCM111 original. Para su sorpresa, descubrieron que NCM111 mostraba una liberación de oxígeno más intensa de lo esperado.

En base a esto, el grupo de investigación sugirió que los metales de transición de alta valencia desestabilizan el oxígeno de la red en los materiales de las baterías a base de óxido.

“Nuestros resultados contribuirán a un mayor desarrollo de baterías de próxima generación de óxido de metal de transición duraderas y de alta densidad de energía”, dijo Nakamura.

Referencia: “Inestabilidad de la oxigenación reticular en cátodos intercalantes basados ​​en óxido: un estudio de caso de LiNi en capas”.1/3Participar1/3Minnesota1/3a2Por Xueyan Hou, Kento Ohta, Yuta Kimura, Yusuke Tamenori, Kazuki Tsuruta, Koji Amezawa y Takashi Nakamura, 23 de junio de 2021. materiales energéticos avanzados.
DOI: 10.1002 / aenm.202101005

Financiamiento: Beca de ayuda para la investigación científica (JP18K05288? JP19H05814) Programa de investigación para el Laboratorio CORE de la “Alianza dinámica para la innovación abierta entre humanos, medio ambiente y materiales” en el “Centro de investigación conjunta en red para materiales y dispositivos”.

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