Investigadores de la Universidad de California, Irvine y cuatro laboratorios nacionales han ideado una forma de fabricar cátodos para baterías de iones de litio sin usar cobalto, un mineral afectado por la volatilidad de los precios y las complicaciones geopolíticas.

En un artículo publicado hoy en Nature, los científicos describen cómo superaron las inestabilidades térmicas y químico-mecánicas de los cátodos compuestos sustancialmente de níquel, un sustituto común del cobalto, al mezclar varios otros elementos metálicos.

«A través de una técnica a la que nos referimos como ‘dopaje de alta entropía’, pudimos fabricar con éxito un cátodo en capas sin cobalto con una tolerancia al calor extremadamente alta y estabilidad durante ciclos repetidos de carga y descarga», dijo el autor correspondiente Huolin Xin, profesor de la UCI. de física y astronomía. «Este logro resuelve los problemas de seguridad y estabilidad de larga data en torno a los materiales de batería con alto contenido de níquel, allanando el camino para aplicaciones comerciales de amplia base».

El cobalto es uno de los riesgos más importantes de la cadena de suministro que amenaza la adopción generalizada de automóviles eléctricos, camiones y otros dispositivos electrónicos que requieren baterías, según los autores del artículo. El mineral, que es químicamente adecuado para estabilizar los cátodos de las baterías de iones de litio, se extrae casi exclusivamente en la República Democrática del Congo en condiciones abusivas e inhumanas.

«Los fabricantes de vehículos eléctricos están ansiosos por reducir el uso de cobalto en sus paquetes de baterías, no solo para reducir costos, sino también para contrarrestar las prácticas de trabajo infantil utilizadas para extraer el mineral», dijo Xin. «La investigación también ha demostrado que el cobalto puede provocar la liberación de oxígeno a alto voltaje, causando daños a las baterías de iones de litio. Todo esto apunta a la necesidad de alternativas».

Sin embargo, los cátodos a base de níquel tienen sus propios problemas, como una mala tolerancia al calor, que puede provocar la oxidación de los materiales de la batería, un escape térmico e incluso una explosión. Si bien los cátodos con alto contenido de níquel se adaptan a capacidades más grandes, la tensión de volumen debido a la expansión y contracción repetidas puede generar problemas de estabilidad y seguridad deficientes.

Los investigadores buscaron abordar estos problemas a través del dopaje de alta entropía de composición compleja utilizando HE-LMNO, una amalgama de metales de transición magnesio, titanio, manganeso, molibdeno y niobio en el interior de la estructura, con un subconjunto de estos minerales utilizados en su superficie e interfaz. con otros materiales de batería.

Xin y sus colegas emplearon una serie de instrumentos de difracción de rayos X de sincrotrón, microscopía electrónica de transmisión y nanotomografía 3D para determinar que su cátodo de cobalto cero exhibió un cambio volumétrico cero sin precedentes durante el uso repetido. La estructura altamente estable es capaz de soportar más de 1000 ciclos y altas temperaturas, lo que la hace comparable a los cátodos con un contenido de níquel mucho más bajo.

Para algunas de estas herramientas de investigación, Xin colaboró ​​con investigadores de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II, ubicada en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. en Nueva York. Como instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE, NSLS-II ofreció al equipo acceso a tres de sus 28 instrumentos científicos, llamados líneas de luz, para estudiar la estructura interna del nuevo cátodo.

«La combinación de los diferentes métodos en las líneas de luz NSLS II permitió descubrir un efecto de atrapamiento de las vacantes de oxígeno y los defectos dentro del material, lo que previene de manera efectiva la formación de grietas en la partícula secundaria HE-LMNO, lo que hace que esta estructura sea extremadamente estable durante el ciclo». dijo el coautor Mingyuan Ge, científico de NSLS-II.

Xin agregó : «Usando estas herramientas avanzadas, pudimos observar la estabilidad térmica dramáticamente aumentada y las características de cambio volumétrico cero del cátodo, y pudimos demostrar una retención de capacidad y un ciclo de vida extraordinariamente mejorados. Esta investigación podría establecer el escenario para el desarrollo de una alternativa energéticamente densa a las baterías existentes».

Dijo que el trabajo representa un paso hacia el logro del doble objetivo de estimular la proliferación del transporte limpio y el almacenamiento de energía al mismo tiempo que se abordan los problemas de justicia ambiental en torno a la extracción de minerales utilizados en las baterías.

Este proyecto, que fue financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU. también involucró a investigadores del Laboratorio Nacional Argonne de Illinois, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico de Washington y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC de California.