Estos materiales tienen el potencial de lograr altos voltajes y capacidades, pero sus aplicaciones prácticas se han visto obstaculizadas por inestabilidades estructurales y pérdida de oxígeno.

Su estudio reveló que la formación de « agujeros de oxígeno », donde un ion de oxígeno pierde un electrón, juega un papel crucial en la degradación de los cátodos de LiNiO2, acelerando la liberación de oxígeno que luego puede degradar aún más el material del cátodo.

Usando un conjunto de técnicas computacionales de última generación en supercomputadoras regionales del Reino Unido, los investigadores examinaron el comportamiento de los cátodos de LiNiO2 mientras se cargan. Descubrieron que durante la carga, el oxígeno en el material sufre cambios mientras que la carga de níquel permanece esencialmente sin cambios.

El coautor, el profesor Andrew J. Morris, de la Universidad de Birmingham, comentó: « Descubrimos que la carga de los iones de níquel permanece alrededor de +2, independientemente de si está en su forma cargada o descargada. Al mismo tiempo, la carga del oxígeno varía de -1,5 a aproximadamente -1.

« Esto es inusual, el modelo convencional asume que el oxígeno permanece en -2 durante la carga, pero estos cambios muestran que el oxígeno no es muy estable y hemos encontrado una vía para que abandone el cátodo rico en níquel ».

Los investigadores compararon sus cálculos con datos experimentales y descubrieron que sus resultados se alineaban bien con lo observado. Propusieron un mecanismo de cómo se pierde el oxígeno durante este proceso, que involucra la combinación de radicales de oxígeno para formar un ion peróxido, que luego se convierte en oxígeno gaseoso, dejando vacantes en el material. Este proceso libera energía y forma oxígeno singlete, una forma de oxígeno altamente reactiva.

« Potencialmente, al agregar dopantes que reducen el oxígeno redox, al tiempo que promueven el redox de metales de transición particularmente en la superficie, mitigando la generación de oxígeno singulete, podemos mejorar la estabilidad y la longevidad de este tipo de baterías de iones de litio, allanando el camino para sistemas de almacenamiento de energía más eficientes y confiables », agrega la primera autora, la Dra. Annalena Genreith-Schriever, de la Universidad de Cambridge.

Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente para diversas aplicaciones debido a su alta densidad de energía y capacidad de recarga, pero los desafíos asociados con la estabilidad de los materiales del cátodo han obstaculizado su rendimiento general y su vida útil.

Investigadores de las universidades de Birmingham, Cambridge, Warwick y The Faraday Institution, Didcot, publicaron sus hallazgos hoy (19 de julio) en Joule.