El enfoque propuesto permite un control preciso e independiente de la composición promedio, la pendiente y la curvatura de los gradientes de concentración completa en cátodos de alto níquel, lo que resulta en baterías de iones de litio con un rendimiento mejorado, estabilidad y seguridad. Crédito: Hyun Deog Yoo, Pusan National University
Con el reciente impulso global hacia la energía renovable y los vehículos eléctricos, la demanda de baterías de iones de litio (LIB) está aumentando rápidamente. El rendimiento y la estabilidad de las libs dependen en gran medida del material del cátodo, que puede representar casi el 40-45% del costo total de la batería.
Entre las tecnologías de vanguardia, los cátodos de alto níquel se destacan por su alta densidad de energía y su rentabilidad. Sin embargo, aumentar el contenido de níquel también intensifica las reacciones laterales, comprometiendo severamente la robustez interfacial y la integridad mecánica, factores que limitan las aplicaciones a gran escala.
Una solución prometedora es el uso de diseños de gradiente de concentración completa (FCG) o de cáscara núcleo. En tales estructuras, la concentración de níquel disminuye gradualmente desde el núcleo hasta la superficie de cada partícula del cátodo, donde se reemplaza por elementos más estables como el cobalto y el manganeso. Este gradiente mejora la estabilidad de la superficie y la resistencia mecánica.
Desafortunadamente, los métodos de fabricación actuales ofrecen una sintonización limitada. Una vez que se establece la composición promedio, la pendiente y la curvatura del gradiente también están limitadas, lo que restringe la flexibilidad de diseño de los cátodos FCG.
En un nuevo estudio, un equipo de investigación internacional dirigido por el profesor asociado Hyun Deog Yoo del Departamento de Química y el Instituto para Future Earth en la Universidad Nacional de Pusan, Corea, introdujo un nuevo marco matemático que permite un diseño FCG totalmente flexible.
“A diferencia de los métodos convencionales, donde ajustar un parámetro afecta a los otros, nuestro enfoque permite un control independiente y preciso sobre múltiples descriptores, incluida la composición promedio, la pendiente y la curvatura”, explica el Dr. Yoo.
Los hallazgos del equipo se publicaron en la revista Letras de energía ACS.
Tradicionalmente, los cátodos FCG se sintetizan a través de un método de coprecipitación que involucra dos tanques de soluciones precursoras de metal. El primer tanque, rico en níquel (Ni), se alimenta directamente al reactor.
El segundo tanque, que contiene cobalto (CO) y manganeso (MN), se mezcla con el primero para reducir la concentración de Ni con el tiempo. En los sistemas convencionales, la velocidad de flujo de este segundo tanque es fija, lo que significa que solo se puede lograr un gradiente específico para una composición promedio dada.
Los investigadores superaron esta limitación al expresar el caudal del segundo tanque como una función matemática dependiente del tiempo. Esta innovación permite un ajuste independiente de la composición promedio, la pendiente y la curvatura, lo que permite la generación de un rango prácticamente ilimitado de gradientes de concentración utilizando solo dos tanques.
Al integrar este enfoque con un sistema de reactores automatizado, el equipo sintetizó con éxito cinco precursores FCG NI0.8CO0.1MN0.1 (OH) 2 con gradientes finamente sintonizados, verificados a través de mapeo elemental dos y tridimensional.
“Para este propósito, reunimos un excelente equipo de investigación internacional, colaborando con laboratorios en la Universidad de Illinois Chicago, el Laboratorio Nacional de Argonne y varios institutos en Corea y Estados Unidos”, dice el Dr. Yoo.
“Mi laboratorio se centró en diseñar y sintetizar cátodos de FCG, mientras que la mayoría de los análisis de imágenes 2D y 3D fueron realizados por los grupos del Prof. Jordi Cabana y el Prof. Robert F. Klie. Nos sentimos realmente privilegiados de haber sido parte de una colaboración tan notable”.
Los cátodos de alto níquel resultantes exhibieron una estabilidad mecánica y estructural significativamente mejorada en comparación con las contrapartes convencionales. Mostraron un transporte mejorado de iones de litio para un mejor rendimiento electroquímico y un agrietamiento mínimo de partículas, un rasgo esencial para la vida útil del ciclo.
En particular, el cátodo FCG diseñado de manera óptima retuvo el 93.6% de su capacidad inicial después de 300 ciclos, la mayor estabilidad de ciclo informada para cátodos FCG de composición similar.
“Nuestro enfoque tiene el potencial de transformar la seguridad y el rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía basados en Lib”, dice el Dr. Yoo.
“Esto podría conducir a electrónica de consumo y dispositivos médicos más seguros, vehículos eléctricos más confiables, redes de energía estables y una adopción más amplia de tecnologías de energía renovable”.
Más información: Seongwook Kim et al, cátodos de alto níquel con robustez mecánica e interfacial a través de gradientes de concentración a medida para baterías estables de iones de litio, letras de energía ACS (2025). Doi: 10.1021/acsenergylett.5c01634
Proporcionado por la Universidad Nacional de Pusan
Cita: los investigadores desarrollan un método de cambio de juego para crear baterías de iones de litio más seguras y duraderas (2025, 16 de julio) Recuperado el 16 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-game-method-safer-lithium-ion.html
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