La sublimación de óxido de litio abre puertas para fabricación de baterías más barato y más rápida
Estudio de vapor entre precursores de óxido LI2O y TMO. Crédito: Nature Energy (2025). Doi: 10.1038/s41560-025-01738-4
Una sal de litio común ha revelado nuevas posibilidades para fabricar materiales de batería más baratos y duraderos.
El descubrimiento se centra en la sublimación, un proceso comúnmente conocido por el cual en las condiciones correctas, un sólido se convierte directamente en un vapor. La sublimación es lo que crea la cola de un cometa mientras vuela junto al sol. A medida que la carcasa helada del cometa se calienta, el hielo se convierte instantáneamente en vapor, en lugar de primero derretirse en agua líquida.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía del Departamento de Energía han sacado una página del libro de jugadas de la naturaleza. En un nuevo hallazgo publicado en Nature Energy, el equipo liderado por PNNL mostró que el vapor de la sublimación de óxido de litio (LI2O) acelera una reacción química que forma cristales individuales cuando se mezclan con precursores ricos en níquel. Además, la sublimación ocurre en una sola atmósfera de presión, la presión cotidiana se siente al nivel del mar. Se cree que los materiales de batería de cristal único ayudan a las baterías a durar más.
“El Discovery ofrece una forma potencialmente más rápida, más eficiente y más barata de ampliar la fabricación de baterías de iones de litio ricas en níquel”, dijo Jie Xiao, coautor en el periódico y un compañero de Battelle que tiene una cita conjunta con PNNL y la Universidad de Washington. En UW, Xiao es el profesor de Boeing Martin de la universidad en el Departamento de Ingeniería Mecánica.
“La investigación nos muestra cómo se puede aplicar la ciencia de los materiales para simplificar el proceso de fabricación”, continuó Xiao.
Los científicos descubrieron recientemente que la sublimación del óxido de litio, cuando se mezcla con precursores de cátodo ricos en níquel, crea una estructura de cristal único que podría usarse en baterías más duraderas. El nuevo trabajo también podría ayudar a disminuir el costo de la fabricación de baterías. Crédito: Sara Levine / Pacific Northwest National Laboratory
La promesa de níquel
Crear materiales para baterías es un poco como la hornear: combine los ingredientes correctos, aplique calor y produzca algo nuevo. Para las baterías, los investigadores buscan materiales para hacer electrodos positivos y negativos de una batería (a veces denominado cátodos y ánodos, respectivamente). Los electrodos positivos funcionan aceptando iones y electrones, lo que crea el flujo de electricidad que alimenta dispositivos como linternas, computadoras portátiles, teléfonos celulares o incluso automóviles y centros de datos.
A medida que crece la demanda de dispositivos con baterías recargables, los científicos buscan constantemente materiales que puedan almacenar más energía y durar más. Las baterías convencionales de iones de litio están limitadas por el costo y cuánta energía pueden tener, dijo Xiao. Para reducir el costo, el níquel y el manganeso más baratos a menudo se mezclan con cobalto en el material de la batería.
Recientemente, los investigadores, incluido el equipo PNNL de Xiao, han estado estudiando cómo incorporar de manera rentable aún más níquel en los cátodos de la batería. El níquel puede almacenar más energía que el cobalto, por lo que aumentar la cantidad de níquel en una batería de iones de litio hace que los materiales sean más rentables. El níquel también puede ayudar a reducir el costo de ampliar la fabricación del cátodo.
Pero a pesar de sus beneficios, trabajar con Nickel todavía presenta un desafío, dijo Xiao. El material del cátodo de litio rico en níquel tiende a formarse como aglomeraciones conocidas como “policristales”, como una galleta llena de chispas de chocolate. Los límites entre los cristales, como el límite entre la galleta y las chips de chocolate, se debilitan a medida que la batería descarga y se carga. Con el tiempo, estas debilidades conducen a grietas, lo que degrada la batería y acorta su vida útil.
“Se puede imaginar que todas esas pequeñas partículas están aglomeradas juntas, y son empujadas y tiradas a medida que la batería carga y descarga”, dijo Xiao. “El movimiento puede crear grietas, lo que debilita la batería”.
En los últimos cinco años, Xiao y sus colegas han estado buscando materiales que formen estructuras de cristal único, como una galleta de chocolate. El chocolate todavía está allí, pero se distribuye uniformemente a través de la galleta en lugar de empacar en grupos.
“Los cátodos de un solo cristal no tienen las vulnerabilidades que surgen de las estructuras policristales”, dijo Xiao. “Entonces, esperamos que los cristales individuales mitigen y eventualmente eliminen todos los grandes desafíos en los materiales de cátodo ricos en níquel”.
El misterio de la sublimación
En los últimos años, el equipo de Xiao ha estado explorando diferentes sales de litio suministradas por el socio de la industria Albemarle Corporation. Mezclar estos ingredientes de sal, o precursores, con precursores ricos en níquel produce material de cátodo. Uno de los métodos de producción más comunes es derretir la sal de litio, que luego reacciona con el precursor rico en níquel. Para este proceso, los investigadores han preferido el hidróxido de litio (LIOH) porque tiene un punto de fusión bajo.
Por el contrario, Li2O tiene un alto punto de fusión a 1.438 grados Celsius, por lo que rara vez se usa para la síntesis de material de cátodo. Pero al experimentar con LI2O en el laboratorio de síntesis de materiales de Xiao en PNNL, sucedió algo sorprendente: al combinar el precursor rico en níquel con LI2O a temperaturas de alrededor de 900 grados centígrados, material de cátodo unifabrítico fácilmente formado.
Xiao y sus colegas replicaron la reacción una y otra vez, tratando de encontrar el mecanismo. Finalmente, recurrieron a su socio de la industria Thermo Fisher Scientific, quien estudió la reacción bajo un instrumento llamado microrreactor. Con esas observaciones y un experimento recientemente diseñado, el equipo pudo revelar con éxito el fenómeno de sublimación.
“Estamos entusiasmados de registrar la reacción entre LI2O y el precursor en el microscopio”, dijo Libor Novák, el inventor del microrreactor en Thermo Fisher Scientific.
La nueva investigación confirma que el mecanismo es impulsado por la sublimación LI2O. En el escenario de hornear, sería como combinar la masa de galletas con chocolate vaporizado. Cuando cortas la galleta por la mitad, no hay trozos de chocolate, solo una galleta de chocolate sin límites distintos.
“El vapor puede penetrar en todas partes, directamente en los poros o la superficie de los otros precursores y reaccionar inmediatamente”, dijo Xiao. “Los cristales individuales se forman mucho más rápido en presencia de esos vapores”.
El equipo aplicó además el fenómeno de sublimación LI2O para convertir directamente los policristales gastados en cristales individuales simplemente a través de un proceso de mezcla y calentamiento. La formación exitosa de nuevos cristales individuales muestra que la sal de Li2o simplifica considerablemente el proceso de reciclaje de policristales gastados o de desechos. Especialmente para esos restos de la línea de producción, se pueden “rehacer” rápidamente en cristales individuales de alto rendimiento por este ingrediente de sal, dijo Xiao.
Además, los nuevos cristales individuales, ya sea de nuevos precursores o de policristales gastados, resistieron 1,000 ciclos de carga/descarga, lo que puede permanecer estable por largos períodos de tiempo.
Potencial bendición para la fabricación
Con el ahorro de tiempo y energía, más el alto rendimiento de los cristales individuales derivados de LI2O, el Discovery proporciona una nueva forma de fabricar cristales individuales. Sin embargo, el equipo tiene más trabajo que hacer antes de que se puedan producir baterías, dijo Xiao. Debido a que LI2O no se usa ampliamente para la síntesis de materiales, el costo de usarlo comercialmente es actualmente demasiado alto. Sin embargo, Xiao señaló que Li2O se produce fácilmente procesando otras sales de litio, como LIOH.
Con los socios de la industria, Xiao y su equipo ahora están trabajando para ampliar el proceso con menores costos de fabricación. El equipo espera proporcionar cristales individuales a sus socios estratégicos en 2026.
Más información: Bingbin Wu et al, la sublimación inusual de LI2O promueve el crecimiento único y la sinterización, la energía de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41560-025-01738-4
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Cita: la sublimación de óxido de litio abre puertas para la fabricación de baterías más barata y rápida (2025, 15 de abril) Recuperó el 15 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-lithium-oxide-sublation-doors-heaper.html
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