Figura 1. Una imagen esquemática, que ilustra una estrategia de diseño para mejorar la integridad mecánica de los cátodos LNMO de cristal único al extender el comportamiento de la solución sólida. Los enfoques combinados experimentales y de modelado identifican la distribución del estrés dentro del cristal y demuestran el papel del dopaje de Mg en la mitigación de grietas intragranulares. Crédito: Angewandte Chemie International Edition (2025). Doi: 10.1002/anie.202422726
Un equipo de investigación, dirigido por el profesor Hyeon Jeong Lee del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en UNIST, ha identificado las causas raíz del agrietamiento interno en cáculos de óxido de manganeso de litio único (LNMO): materiales clave para las baterías de alto rendimiento, y propusieron una estrategia innovadora de diseño de material para abordar este desafío.
El estudio se realizó en colaboración con el Dr. Gwanchen Lee en la Universidad de Glasgow, Reino Unido, y el equipo del profesor Jihoon Lee en la Universidad Nacional de Kyungpook. El artículo se publica en la revista Angewandte Chemie International Edition.
El óxido de manganeso de níquel de litio está llamando la atención como un material de cátodo rentable y de alta capacidad debido a su alto voltaje de operación de 4.7V y la ausencia de cobalto costoso en su composición química. Cuando se fabrican en forma de cristal único, estos cátodos pueden permitir baterías que ofrecen una mayor densidad de energía y una vida útil más larga.
A diferencia de los cátodos policristalinos convencionales, los cátodos de cristal único están compuestos de un solo cristal continuo sin límites de grano, reduciendo el agrietamiento entre partículas y mitigando las reacciones químicas indeseables con electrolitos. Sin embargo, durante la carga y descarga de alta tasa, las grietas internas aún pueden desarrollarse dentro de la estructura cristalina, comprometiendo el rendimiento y la longevidad.
El equipo de investigación encontró que este problema proviene de la difusión de iones de litio no uniforme dentro del cristal, lo que lleva a concentraciones de estrés localizadas. Cuando el estrés interno excede la resistencia al rendimiento del cristal, se inician grietas, un efecto exacerbado a tasas de carga/descarga más altas.
Para superar esto, los científicos introdujeron el magnesio en la red de cristal. Actuando como un pilar estructural, el magnesio inhibe la contracción de las vías de difusión de iones y mejora la movilidad de iones de litio, aliviando efectivamente las tensiones internas. Los resultados experimentales confirmaron que los cátodos de cristal único dopados con magnesio demuestran una notable estabilidad en condiciones de ciclo rápido, con una formación de grietas significativamente reducida.
Además, utilizando el modelado continuo, el equipo cuantificó la relación entre las tasas de difusión de iones de litio, los cambios de volumen y el inicio de la falla mecánica. Este análisis permitió la formulación de principios de diseño para crear cátodos de cristal único mecánicamente robustos capaces de operar de manera confiable a las densidades de corriente específicas.
El profesor Lee declaró: “Este estudio proporciona una comprensión clara de los mecanismos de degradación mecánica en los cátodos de cristal único. Al integrar los enfoques experimentales y computacionales, hemos establecido una estrategia de diseño efectiva para mejorar su integridad estructural, lo cual es crucial para la comercialización de las baterías de alta generación de alta generación”.
La investigación fue dirigida por Hyunsol Shin del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Unist, el primer autor del estudio.
Más información: Hyeonsol Shin et al, mitigando el agrietamiento intragranular inducido por difusión en Lini0.5mn1.5o4 de un solo cristal a través de un comportamiento extendido de solución sólida, Angewandte Chemie International Edition (2025). Doi: 10.1002/anie.202422726
Proporcionado por el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan
Cita: la estrategia de diseño puede mitigar las grietas internas en los materiales de cátodo de próxima generación (2025, 12 de mayo) Recuperado el 12 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-strategy-mitigate-internal-generation-cathode.html
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