Distribución del litio residual observado en vacíos intergranulares a través de imágenes SEM. Crédito: Instituto de Investigación Energética de Corea
Los investigadores han resuelto un desafío de larga data en materiales de cátodo de alto NI, un componente clave de las baterías de vehículos eléctricos de próxima generación (EV). El equipo reidentificó con éxito la ubicación de los compuestos residuales de LI, que durante mucho tiempo se han considerado un problema crónico en los cátodos de alto NI, y propuso una nueva estrategia de diseño de materiales para minimizar significativamente el contenido de litio residual.
El documento se publica en el Journal of Materials Chemistry A. El equipo de investigación incluye a Wooyoung Jin y Hyungyeon Cha del Centro de I + D de tecnología de energía avanzada de Ulsan en el Instituto de Investigación de Energía de Corea.
Los materiales de cátodo de alta niña son un componente central de las baterías de iones de litio de próxima generación utilizadas en vehículos eléctricos (EV) y otras aplicaciones. A medida que aumenta el contenido de Ni en el cátodo, también lo hace la densidad de energía de la batería, lo que lleva a rangos de conducción más largos para los vehículos eléctricos. Con una composición de NI de hasta el 80%, los cátodos de alta niña están surgiendo como una tecnología clave en el futuro mercado de baterías EV.
Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de Ni, la formación excesiva de los compuestos residuales de LI tiende a ocurrir en la superficie del material del cátodo. Esto conduce a un fenómeno conocido como gelificación, donde la suspensión del electrodo se endurece en un estado de gel.
Como resultado, las partículas de material activo se distribuyen de manera desigual, y la adhesión entre los componentes del electrodo disminuye en aproximadamente un 20%, lo que finalmente compromete la integridad y el rendimiento del electrodo. En particular, este problema se ha observado incluso en materiales de cátodo disponibles comercialmente, destacando la necesidad urgente de soluciones para garantizar la fabricación estable y el rendimiento confiable de la batería
Anteriormente, se creía ampliamente que Li residual existía en la superficie de las partículas de cátodo. En consecuencia, se emplearon procesos de lavado de superficie que utilizan agua destilada o técnicas de recubrimiento externos para eliminarlo. Sin embargo, estos enfoques no pudieron resolver completamente los problemas de degradación del rendimiento en las baterías de iones de litio.
El equipo de investigación está analizando los resultados experimentales. Crédito: Instituto de Investigación Energética de Corea
En un descubrimiento innovador, el equipo de investigación fue el primero en confirmar que Li residual no solo está presente en la superficie, sino que también existe entre las partículas internas de los materiales de cátodo de alto NI desafiando los supuestos convencionales. Este hallazgo reveló que la estructura interna pasada por alto del cátodo juega un papel crítico en la degradación del rendimiento de la batería y una vida útil reducida. Según esta idea, el equipo propuso una nueva estrategia de diseño de material destinada a suprimir fundamentalmente la formación de litio residual.
Utilizando técnicas analíticas avanzadas que incluyen microscopía electrónica de alta resolución, análisis de adsorción de nitrógeno y espectroscopía de pérdida de energía de electrones, el equipo de investigación realizó una investigación detallada del material del cátodo. Identificaron que los compuestos de LI residuales existen en forma cristalina dentro de los poros intergranulares entre las partículas, y confirmaron que esta es una de las principales causas de la degradación del rendimiento de la batería.
Según estos hallazgos, los investigadores propusieron el uso de materiales de cátodo de altoir NI estructurados por un solo cristal para suprimir la formación de LI residual dentro del cátodo. Dado que las estructuras de cristal unicelista tienen límites mínimos o nulas de grano entre las partículas primarias, evitan la formación de espacios interpartículas, eliminando efectivamente el espacio donde los compuestos de Li residuales podrían cristalizarse.
El equipo de investigación informó que el uso de materiales de cátodo de alto fieltro de cristal único puede reducir los niveles residuales de LI hasta en un 54% en comparación con los cátodos convencionales. Esta reducción significativa acerca a la industria y la comunidad académica más cerca de lograr el objetivo de mantener compuestos residuales de LI por debajo de 2,000 ppm.
El Dr. Jin y el Dr. Cha, quien dirigió el equipo de investigación, declaró: “Este estudio marca el primer análisis en profundidad para ir más allá de los enfoques a nivel de superficie y examinar los problemas residuales de LI dentro de la estructura interna de las partículas de cáculos. Representa un punto de giro crítico para comprender la estabilidad estructural y los mecanismos de degradación del rendimiento de los cátodos altos de NI.
“Creemos que estas ideas, cuando se aplican al diseño y el procesamiento del material del cátodo, desempeñarán un papel importante en el avance del desarrollo y comercialización de baterías de iones de litio de alta densidad de energía”.
Más información: Wooyoung Jin et al, identificando la nanoestructura de LI residual en cátodos de alto niñas para baterías de iones de litio, Journal of Materials Chemistry A (2024). Doi: 10.1039/d4ta07384c
Proporcionado por el Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología
Cita: baterías EV de próxima generación: los científicos resuelven un desafío de cátodo de alto níquel, reduciendo el litio residual (2025, 27 de mayo) Recuperado el 27 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-gperation-Ev batteries-scientististshigh.html
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