Los investigadores hallan un método innovador para fabricar nuevos materiales para baterías de iones de litio
ILUSTRACIÓN= EL FAMOSO TRIÁNGULO DEL LITIO Transformación de fase amorfa a roca-sal inducida electroquímicamente en el electrodo de óxido de niobio para baterías de iones de litio
Investigadores de la Universidad Estatal de Boise han desarrollado un nuevo método para fabricar nuevos materiales para baterías de iones de litio. Partiendo de un óxido de niobio amorfo, es decir, un material que carece de orden de largo alcance, el equipo descubrió que el propio acto de ciclar el material con litio induce una transformación a un novedoso ánodo cristalino de Nb2O5 con un excepcional almacenamiento de Li y ciclos rápidos. Este proceso puede utilizarse potencialmente para fabricar otros materiales para baterías de iones de litio que no pueden fabricarse fácilmente por medios tradicionales.
El estudio, dirigido conjuntamente por los investigadores de los laboratorios de Hui (Claire) Xiong, profesora de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad Estatal de Boise, y Shyue Ping Ong, profesor de nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego, se ha publicado en Nature Materials.
El descubrimiento de nuevos materiales para las baterías de iones de litio ha adquirido una urgencia renovada. Debido al aumento del precio de la gasolina, ha aumentado la demanda de vehículos eléctricos y, con ello, de las baterías de iones de litio que los alimentan. Sin embargo, las baterías de iones de litio actuales siguen siendo demasiado caras y se cargan con demasiada lentitud.
«Las baterías de iones de litio son la tecnología líder en el mercado de las baterías recargables, pero también ha aumentado la demanda de que la batería tenga una alta energía y unos tiempos de carga más rápidos», explica Pete Barnes, doctorado del Laboratorio de Materiales Electroquímicos Energéticos de Xiong en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Micron y autor principal del trabajo. «Si quieres cargar tu vehículo eléctrico durante 15 minutos y luego salir a la carretera para recorrer los siguientes 200 o 300 kilómetros, necesitas nuevos electrodos de batería que puedan cargarse a un ritmo muy rápido sin mucha pérdida de rendimiento».
Uno de los mayores cuellos de botella en la carga de las baterías de iones de litio actuales es el ánodo. El ánodo más común está hecho de grafito, que es muy denso energéticamente, pero no puede cargarse con demasiada rapidez debido al riesgo de incendio y explosiones de un proceso conocido como chapado de metal de litio. Los óxidos metálicos de intercalación, como el material de sal de roca Nb2O5 descubierto por el equipo, son alternativas prometedoras a los ánodos debido al menor riesgo de chapado de litio a bajos voltajes. Para crear el nuevo material anódico, el grupo de Xiong desarrolló una técnica innovadora denominada transformación amorfa a cristalina inducida electroquímicamente. El nuevo electrodo puede lograr un elevado almacenamiento de litio de 269 mAh/g a una tasa de carga de 20 mA/g y, lo que es más importante, sigue conservando una elevada capacidad de 191 mAh/g a una alta tasa de carga de 1 A/g.
«El aspecto más emocionante de este trabajo es el descubrimiento de un enfoque completamente nuevo para crear nuevos electrodos de baterías de iones de litio», dijo Xiong. «El truco consiste en partir de una fase de mayor energía, como un material amorfo. El simple hecho de ciclar el material con litio nos permite crear nuevas disposiciones cristalinas que presentan propiedades mejoradas más allá de las que se obtienen por medios tradicionales, como las reacciones en estado sólido.»
El excepcional rendimiento del ánodo se debe a su estructura de sal de roca desordenada o DRX, que es como la sal de mesa común pero con los átomos de Li y Nb dispuestos de forma aleatoria. Mientras que los materiales catódicos DRX son bien conocidos, los ánodos DRX son relativamente raros. Utilizando técnicas computacionales, Yunxing Zuo, ex alumno del Laboratorio Virtual de Materiales de Ong en la UC San Diego, demostró que el proceso de inserción del Li en el Nb2O5 amorfo permite a los científicos de materiales acceder a materiales metaestables. El equipo también desarrolló una métrica para identificar otros óxidos metálicos que pueden sintetizarse de forma similar. Los cálculos también muestran que la estructura DRX contiene vías para la difusión rápida del litio, lo que da lugar a un rendimiento de alta velocidad.
«Creemos que este trabajo no es más que el principio de una forma completamente nueva de pensar en la síntesis de materiales», afirma Ong. «A los átomos les gusta organizarse de determinadas maneras. Cuando fabricamos materiales de la forma tradicional, solemos obtener las mismas disposiciones una y otra vez. Este nuevo enfoque abre una vía prometedora para crear otros óxidos metálicos no convencionales».
Publicación originalBarnes, P., Zuo, Y., Dixon, K. et al. Electrochemically induced amorphous-to-rock-salt phase transformation in niobium oxide electrode for Li-ion batteries. Nat. Mater. 21, 795–803 (2022)
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