Nuevos materiales activos de cátodo altamente ricos en Ni para baterías de estado sólido

Para respaldar el avance adicional de la industria electrónica, los investigadores de energía han estado tratando de desarrollar nuevas tecnologías de baterías que podrían cargarse más rápido, dispositivos de energía durante una mayor cantidad de tiempo y tener una vida general más larga. Algunas de las baterías emergentes más prometedoras que podrían cumplir con estos requisitos son las baterías de estado sólido (ASST).

ASSB son baterías que contienen electrolitos sólidosa diferencia de los electrolitos líquidos encontrados en las tecnologías de batería convencionales. En comparación con iones de litio (Li-ion) baterías, que actualmente son las más utilizadas baterías recargablesLos ASSB podrían ser más seguros, ya que los electrolitos sólidos suelen tener menos probabilidades de incendiarse, y también podrían almacenar más energía (es decir, tener densidades de energía más altas).

Un componente central de estas baterías es el llamado cátodo material activo (Cam), un componente que almacena y libera iones de litio. Los materiales en capas ricos en níquel (NI) han sido CAMS particularmente prometedoras, sin embargo, también se descubrió que exhiben limitaciones significativas.

Específicamente, los estudios anteriores mostraron que estos cátodos pueden reducir la capacidad de ASSB para mantener la carga con el tiempo, un proceso conocido como desvanecimiento de la capacidad. La reducción en la capacidad que indican se vinculó a reacciones químicas en la interfaz entre los cátodos y electrolitos ricos en Ni, así como la expansión, la contracción y la desintegración de las partículas de cátodos.

Investigadores de la Universidad de Hanyang en Corea del Sur recientemente llevaron a cabo un estudio para comprender mejor cómo la cantidad de Ni en CAM influye en la degradación de ASSB. Sus hallazgos, publicado en Energía de la naturalezainformó el desarrollo de nuevos cátodos ricos en Ni que podrían aumentar el rendimiento y la vida de ASSB.

“Los ASSB que comprenden materiales activos de cátodo en capas ricos en Ni (CAMS) y electrolitos sólidos de sulfuro son candidatos prometedores para baterías de próxima generación con altas densidades de energía y seguridad”, escribió Nam-Yung Park, Han-Unk Lee y sus colegas en su artículo. “Sin embargo, el desvanecimiento de la capacidad severa se produce debido a la degradación de la superficie en la interfaz CAM-electrolítica y cambios de volumen de red severo en la CAM, lo que resulta en el aislamiento de partículas internas y el desprendimiento de la CAM del electrolito”.

Como parte de su estudio, Park, Lee y sus colegas se propusieron primero identificar cada factor que influye en la degradación de ASSB con CAM ricas en Ni y cuantifica sus efectos. Para hacer esto, sintetizaron cuatro tipos diferentes de cátodos ricos en Ni, con contenido de Ni que varía del 80 al 95%.

Estos incluían prístino li[Ni_xCo_yAl_1−x−y]O₂ Materiales de cátodo, levas recubiertas de boro, levas y levas dopadas con NB que eran cámaras recubiertas con boro y dopadas con NB. Luego examinaron de cerca cómo estos diferentes materiales de cátodo y sus concentraciones de Ni influyeron en la degradación de ASSB.

“Cuantificamos los factores de desvanecimiento de la capacidad de Ni-Rich Li[Ni_xCo_yAl_1−x−y]O₂ Cátodos de ASSB compuestos como funciones de contenido de Ni “, escribió Park, Lee y sus colegas.” Se encontró que la degradación de la superficie en la interfaz CAM-Electrolyte es la principal causa de la capacidad que se desvanece en una CAM con el contenido de Ni al 80%, mientras que el aislamiento interno de la partícula y el desprendimiento de la CAM de la CAM del electrolítico juegan un papel sustancial a medida que aumenta el contenido de Ni a 85%.

En general, los investigadores encontraron que la degradación de la superficie en la interfaz entre los materiales del cátodo rico en Ni y electrólito fue la causa principal de la degradación de la capacidad ASSB. Se encontró que el aislamiento de las partículas internas y su desprendimiento de los materiales del cátodo, por otro lado, solo afecta la capacidad de las baterías cuando los cátodos contenían más del 85% de Ni.

Park, Lee y sus colegas posteriormente extrajeron sus hallazgos para desarrollar nuevas cámaras ricas en Ni con una superficie y morfología alteradas. Estos materiales tienen estructuras columnares que se encontró que reducen efectivamente el desprendimiento de partículas de los materiales del cátodo y el aislamiento de partículas internas.

Cuando se despliega en una celda completa de tipo bolsa con un electrodo sin ánodo C/Ag, estos nuevos cátodos retuvieron el 80.2% de su inicial capacidad Después de 300 ciclos de operación. La valiosa visión reunida por este equipo de investigación y los cátodos que desarrollaron pronto podrían ayudar a mejorar el rendimiento de ASSB, contribuyendo potencialmente a su despliegue futuro y su adopción generalizada.

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