Durante la última década, la sal de roca caótica se ha estudiado como un material catódico potencial para su uso en baterías de iones de litio y una clave para crear almacenamiento de alta energía y bajo costo para todo, desde teléfonos celulares hasta vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable.
Un nuevo estudio realizado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts confirma que el material cumple esta promesa.
Dirigido por Joe Li, profesor de ingeniería nuclear y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Tokyo Electric Power Company, un equipo de investigadores ha descrito una nueva clase de cátodo de sal de roca parcialmente irregular integrado con polianiones, llamados polianiones de espinela de sal de roca irregular, o DRXPS. — Lo que proporciona una alta densidad de potencia a alto voltaje con una estabilidad del ciclo muy mejorada.
“Por lo general, existe un equilibrio entre la densidad de energía y la estabilidad del ciclo en los materiales catódicos… Con este trabajo, nuestro objetivo es «superar los límites mediante el diseño de nuevas químicas catódicas». Un artículo que describe el trabajo se publica hoy en La energía de la naturaleza«Esta familia de materiales tiene una alta densidad de energía y una buena estabilidad del ciclo porque combina dos tipos principales de materiales catódicos, sal gema y peridoto polianiónico, por lo que tiene los beneficios de ambos».
Lo más importante, añade Lee, es que la nueva familia de materiales se compone principalmente de manganeso, un elemento abundante en la Tierra que es significativamente menos costoso que elementos como el níquel y el cobalto, que se utilizan comúnmente en los cátodos en la actualidad.
«El manganeso es al menos cinco veces más barato que el níquel y unas 30 veces más barato que el cobalto», afirma Lee. «El manganeso también es una de las claves para lograr mayores densidades de energía, por lo que tener este material en mayor abundancia en el suelo es una enorme ventaja». ventaja.»
Un camino potencial para la infraestructura de energía renovable
Esta ventaja será particularmente crucial, escribieron Lee y sus colegas, a medida que el mundo busca construir la infraestructura de energía renovable necesaria para un futuro con bajas o cero emisiones de carbono.
Las baterías son una parte particularmente importante de este panorama, no sólo por su potencial para descarbonizar el transporte en automóviles, autobuses y camiones eléctricos, sino también porque serán necesarias para abordar los problemas de intermitencia en la energía eólica y solar almacenando el exceso de energía y luego devolviéndola. a la red por la noche o en días tranquilos, cuando la generación renovable disminuye.
Dado el alto costo y la relativa escasez de materiales como el cobalto y el níquel, escriben los investigadores, los esfuerzos para aumentar rápidamente la capacidad de almacenamiento de electricidad probablemente conducirán a aumentos significativos de costos y una escasez de materiales potencialmente significativa.
«Si queremos lograr una verdadera electrificación en la generación de energía, el transporte, etc., necesitamos abundantes baterías a nivel del suelo para almacenar energía fotovoltaica y eólica intermitente», dice Lee. «Creo que este es un paso hacia la realización de ese sueño».
Gerbrand Seder, jefe de investigación en nanociencia y nanotecnología de Samsung y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley, comparte esta opinión.
«Las baterías de iones de litio son una parte esencial de la transición hacia la energía limpia. Su continuo crecimiento y la caída de sus precios dependen del desarrollo de materiales catódicos económicos y de alto rendimiento fabricados a partir de materiales abundantes en la Tierra, como se demuestra en este trabajo», afirma Sider. .
Superar obstáculos en los materiales existentes.
El nuevo estudio aborda uno de los principales desafíos que enfrentan los cátodos irregulares de sal gema: el movimiento de oxígeno.
Aunque estos materiales son conocidos desde hace mucho tiempo por su capacidad para ofrecer una capacidad muy alta (hasta 350 mAh por gramo) en comparación con los materiales catódicos tradicionales, que normalmente tienen una capacidad de entre 190 y 200 mAh por gramo, no son muy estables.
El proceso redox con oxígeno contribuye en parte al aumento de la capacitancia, que se activa cuando el cátodo se carga con un alto voltaje. Pero cuando esto sucede, el oxígeno se vuelve móvil, provocando reacciones con el electrolito y degradación del material, hasta volverlo inútil después de un largo ciclo.
Para superar estos desafíos, Huang añadió otro elemento, el fósforo, que esencialmente actúa como pegamento, reteniendo el oxígeno en su lugar para mitigar la descomposición.
“La principal innovación aquí, y la teoría detrás del diseño, es que Yiming agregó la cantidad justa de fósforo y formó lo que se llama poliiones con sus átomos de oxígeno vecinos, en una estructura de sal gema que carece de cationes que puedan estabilizarlos. ”, dice Li. «Esto nos permite detener el transporte de oxígeno que se escapa debido al fuerte enlace covalente entre el fósforo y el oxígeno… lo que significa que podemos utilizar la capacidad de oxígeno, pero también obtener una buena estabilidad».
La capacidad de cargar baterías a voltajes más altos es crucial porque permite que sistemas más simples administren la energía que almacenan, dice Lee.
«Podemos decir que la calidad de la energía es mayor», afirma. «Cuanto mayor sea el voltaje por celda, menos necesidad de conectarlas en serie en el paquete de baterías y más sencillo será el sistema de gestión de la batería».
Señalando el camino para futuros estudios
Si bien el material del cátodo descrito en el estudio puede tener un impacto transformador en la tecnología de las baterías de iones de litio, todavía quedan muchas vías de estudio futuro.
Un área de estudio futuro, dice Huang, son los esfuerzos para explorar nuevas formas de fabricar materiales, especialmente en lo que respecta a consideraciones de forma y escalabilidad.
«Actualmente utilizamos un molino de bolas de alta energía para la síntesis mecanoquímica y… la forma resultante no es uniforme y tiene un tamaño medio de partícula pequeño (alrededor de 150 nm). Este método tampoco es completamente escalable», afirma. “Estamos tratando de lograr una forma más uniforme con tamaños de partículas más grandes usando algunos métodos de síntesis alternativos, lo que nos permitirá aumentar la densidad de energía volumétrica del material y puede permitirnos explorar algunos métodos de recubrimiento… que podrían mejorar aún más la batería. Por supuesto, debería decir «Los métodos futuros son industrialmente escalables».
Dice que el material de salitre no estructurado no es un buen conductor por sí solo, por lo que se añaden grandes cantidades de carbono (hasta el 20 por ciento del peso de la pasta del cátodo) para mejorar su conductividad. Si el equipo puede reducir el contenido de carbono del electrodo sin sacrificar el rendimiento, habrá un mayor contenido de material activo en la batería, lo que resultará en una mayor densidad de energía práctica.
«En este artículo, sólo utilizamos Super P, que es un carbono conductor típico compuesto de nanoesferas, pero no es muy eficiente», dice Huang. «Ahora estamos explorando el uso de nanotubos de carbono, que pueden reducir el contenido de carbono. sólo el 1 o 2 por ciento del peso, lo que podría permitirnos aumentar significativamente la cantidad de material catódico activo”.
Además de reducir el contenido de carbono, fabricar electrodos más gruesos es otra forma de aumentar la densidad de energía práctica de una batería, añade. Esta es otra área de investigación en la que está trabajando el equipo.
«Esto es sólo el comienzo de la investigación del DRXPS, ya que sólo hemos explorado algunas de las químicas dentro de su vasto espacio compositivo», añade. «Podemos jugar con diferentes proporciones de litio, manganeso, fósforo y oxígeno, y con diferentes combinaciones». de otros elementos poliiónicos como el boro, el silicio y el azufre”.
Dice que gracias a composiciones mejoradas, métodos de montaje más escalables, una mejor forma que permite recubrimientos uniformes, menor contenido de carbono y electrodos más gruesos, la familia de cátodos DRXPS es muy prometedora en aplicaciones de almacenamiento en red y vehículos eléctricos, y tal vez incluso en aplicaciones de consumo. Electrónica, donde la densidad de energía volumétrica es muy importante.
Este trabajo fue apoyado por fondos del Instituto de Investigación Honda de EE. UU. y la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y utilizó recursos de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II del Laboratorio Nacional Brookhaven y la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne.
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