Durante la última década, la sal gema desordenada se ha estudiado como un material catódico potencialmente innovador 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 del MIT se asegura de que el material cumpla esa promesa.

Dirigido por Ju Li, profesor de ingeniería nuclear de la Compañía de Energía Eléctrica de Tokio y profesor de ciencia e ingeniería de materiales, un equipo de investigadores describe una nueva clase de cátodo de sal de roca parcialmente desordenada, integrado con polianiones, denominado espinela polianiónica de sal de roca desordenada.o DRXPS, que ofrecealta densidad de energíaa altos voltajes con una estabilidad cíclica significativamente mejorada.

"En los materiales catódicos suele haber un equilibrio entre la densidad de energía y la estabilidad cíclica... y con este trabajo pretendemos ir más allá mediante el diseño de nuevas químicas catódicas", dice Yimeng Huang, postdoctorado en el Departamento de Ciencias Nucleares yIngeniería y primer autor de unpapeldescribiendo el trabajo publicado hoy enEnergía de la naturaleza.

"(Esta) familia de materiales tiene una alta densidad de energía y una buena estabilidad cíclica porque integra dos tipos principales de materiales catódicos, sal gema y olivino polianiónico, por lo que tiene los beneficios de ambos".

Es importante destacar que, añade Li, la nueva familia de materiales está compuesta 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 normalmente en los cátodos en la actualidad.

"El manganeso es al menos cinco veces menos caro que el níquel y unas 30 veces menos que el cobalto", afirma Li."El manganeso es también una de las claves para lograr mayores densidades de energía, por lo que tener ese material mucho más abundante en la Tierra es una tremenda ventaja".

Un posible camino hacia la infraestructura de energía renovable

Esa ventaja será particularmente crítica, escribieron Li y sus coautores, mientras el mundo busca construir la infraestructura de energía renovable necesaria para un futuro con bajas o nulas emisiones de carbono.

Las baterías son una parte particularmente importante de ese panorama, no solo por su potencial para descarbonizar el transporte concoches electricos, autobuses y camiones, sino también porque serán esenciales para abordar los problemas de intermitencia de la energía eólica y solar al almacenar el exceso de energía y luego reintroducirla en la red por la noche o en días tranquilos, cuando la generación renovable disminuye.

Dado el alto costo y la relativa rareza de materiales como el cobalto y el níquel, escribieron, los esfuerzos para aumentar rápidamente la capacidad de almacenamiento eléctrico probablemente conducirían a aumentos extremos de costos y una escasez de materiales potencialmente significativa.

"Si queremos tener una verdadera electrificación de la generación de energía, el transporte y más, necesitamos baterías abundantes en la Tierra para almacenar energía fotovoltaica y eólica intermitente", dice Li."Creo que este es uno de los pasos hacia ese sueño".

Ese sentimiento fue compartido por Gerbrand Ceder, catedrático distinguido de Samsung en Investigación en Nanociencia y Nanotecnología y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de California en Berkeley.

"Las baterías de iones de litio son una parte fundamental de la transición a la energía limpia", afirma Ceder."Su continuo crecimiento y disminución de precios depende del desarrollo de materiales catódicos económicos y de alto rendimiento fabricados a partir de materiales abundantes en la Tierra, como se presenta en este trabajo".

Superar obstáculos en los materiales existentes.

El nuevo estudio aborda uno de los principales desafíos que enfrentan los cátodos de sal de roca desordenados: la movilidad del oxígeno.

Si bien los materiales han sido reconocidos durante mucho tiempo por ofrecer una capacidad muy alta (hasta 350 miliamperios-hora por gramo) en comparación con los tradicionalesmateriales catódicos, que normalmente tienen capacidades de entre 190 y 200 miliamperios-hora por gramo, no son muy estables.

La alta capacidad se debe en parte al oxígeno redox, que se activa cuando el cátodo se carga a altos voltajes.Pero cuando eso sucede, el oxígeno se vuelve móvil, lo que provoca reacciones con el electrolito y la degradación del material, dejándolo finalmente inútil después de un ciclo prolongado.

Para superar esos desafíos, Huang añadió otro elemento, el fósforo, que esencialmente actúa como un pegamento, manteniendo el oxígeno en su lugar para mitigar la degradación.

"La principal innovación aquí, y la teoría detrás del diseño, es que Yimeng agregó la cantidad justa de fósforo, que formó los llamados polianiones con sus átomos de oxígeno vecinos, en una estructura de sal gema deficiente en cationes que puede inmovilizarlos.", explica Li.

"Eso nos permite básicamente detener el transporte de oxígeno que se filtra debido al fuerte enlace covalente entre el fósforo y el oxígeno... lo que significa que ambos podemos utilizar la capacidad aportada por el oxígeno, pero también tener una buena estabilidad".

Esa capacidad de cargar baterías a voltajes más altos, afirma Li, es crucial porque permite sistemas más simples para gestionar la energía que almacenan.

"Se puede decir que la calidad de la energía es mayor", afirma."Cuanto mayor sea el voltaje por celda, menos será necesario conectarlas en serie en el paquete de baterías y más sencillo será el sistema de gestión de la batería".

Señalando el camino hacia futuros estudios

Si bien el material del cátodo descrito en el estudio podría tener un impacto transformador en la tecnología de baterías de iones de litio, todavía quedan varias vías de estudio en el futuro.

Entre las áreas de estudio futuro, dice Huang, se encuentran los esfuerzos para explorar nuevas formas de fabricar el material, particularmente por consideraciones de morfología y escalabilidad.

"En este momento, estamos utilizando molinos de bolas de alta energía para la síntesis mecanoquímica, y... la morfología resultante no es uniforme y tiene un tamaño de partícula promedio pequeño (alrededor de 150 nanómetros). Este método tampoco es del todo escalable", dijo.dice.

"Estamos tratando de lograr una morfología más uniforme con tamaños de partículas más grandes utilizando algunos métodos de síntesis alternativos, lo que nos permitiría aumentar la densidad de energía volumétrica del material y podría permitirnos explorar algunos métodos de recubrimiento... que podrían mejorar aún más larendimiento de la batería. Los métodos futuros, por supuesto, deberían ser industrialmente escalables".

Además, dice, los desordenadossal de rocaEl material por sí solo no es un conductor particularmente bueno, por lo que se agregaron cantidades significativas de carbono (hasta un 20 por ciento en peso de la pasta del cátodo) para aumentar su conductividad.Si el equipo puede reducir elcontenido de carbonoEn el electrodo sin sacrificar el rendimiento, habrá un mayor contenido de material activo en una batería, lo que conducirá a una mayor densidad de energía práctica.

"En este artículo, simplemente utilizamos Super P, un carbono conductor típico que consiste en nanoesferas, pero no son muy eficientes", dice Huang."Ahora estamos explorando el uso de nanotubos de carbono, que podrían reducir el contenido de carbono a sólo 1 o 2 por ciento en peso, lo que podría permitirnos aumentar drásticamente la cantidad de material catódico activo".

Además de disminuir el contenido de carbono, fabricar electrodos gruesos, añade, es otra forma de aumentar la densidad de energía práctica de la batería.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 exploramos unas pocas químicas dentro de su vasto espacio compositivo", continúa."Podemos jugar con diferentes proporciones de litio, manganeso, fósforo y oxígeno, y con varias combinaciones de otros elementos formadores de polianiones, como boro, silicio y azufre".

Con composiciones optimizadas, métodos de síntesis más escalables, mejor morfología que permite recubrimientos uniformes, menor contenido de carbono y electrodos más gruesos, afirma, la familia de cátodos DRXPS es muy prometedora en aplicaciones devehículos eléctricosy almacenamiento en red, y posiblemente incluso en la electrónica de consumo, donde la densidad de energía volumétrica es muy importante.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.