(A) Se observaron cambios estructurales irreversibles en la superficie después de 150 ciclos de carga/descarga dentro del rango de voltaje en el que ocurre la reacción de cuasi-conversión. (b) La estructura en capas original se conservó incluso después de 150 ciclos dentro de un rango de voltaje más estable. (C) Cuando las células de tipo de bolsa de níquel alta se ciclaron más de 250 veces a 1.9 V (donde se produce la reacción de cuasi-conversión) y 3.15 V (donde no lo hace), la retención de capacidad mejoró significativamente únicamente al ajustar el voltaje de corte de descarga. (d) Aumentar el voltaje de descarga suprimió efectivamente la pérdida de oxígeno y las reacciones laterales posteriores en la superficie, lo que resulta en una reducción significativa en la evolución de los gases (CO, CO2, CH4 y C2H4). Crédito: Postech
Un equipo de investigación ha identificado un mecanismo de degradación previamente desconocido que ocurre durante el uso de baterías de iones de litio. Sus hallazgos se publican en Advanced Energy Materials.
El equipo incluye al investigador Seungyun Jeon y al Dr. Gukhyun Lim, dirigido por el profesor Jihyun Hong del Departamento de Ingeniería de Batería de Postech (Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang), en colaboración con el grupo del profesor Jongsoon Kim en la Universidad Sungkyunkwan.
Las baterías de iones de litio, que son esenciales para los vehículos eléctricos, usan típicamente cátodos ternarios de níquel-marganeso (NMC). Para reducir los costos, las tendencias recientes de la industria han favorecido el aumento del contenido de níquel al tiempo que minimizan el uso de cobalto caro. Sin embargo, el mayor contenido de níquel tiende a acortar la vida útil general del ciclo de la batería.
Hasta ahora, la degradación del rendimiento de la batería se atribuyó principalmente a la sobrecarga. Sin embargo, esta explicación no tuvo en cuenta que la degradación ocurrió en condiciones de voltaje aparentemente estable. El equipo de investigación se centró en el proceso de descarga, la operación real de la batería, para resolver este misterio.
Descubrieron que cuando una batería se usa durante períodos prolongados sin recargar, un fenómeno conocido como reacción de cuasi-conversión ocurre en la superficie del cátodo. Durante esta reacción, el oxígeno se escapa de la superficie y se combina con litio para formar óxido de litio (LI2O) durante la descarga, particularmente alrededor de 3.0 V. Este compuesto reacciona aún más con el electrolito, generando gas y acelerando la degradación de la batería.
Se encontró que la reacción de cuasi-conversión era más severa en los cátodos de alto níquel. El equipo de investigación confirmó que cuando las baterías se usan hasta que se agota la mayor parte de su capacidad, los efectos del proceso de degradación, incluida la hinchazón de la batería, se pronuncian cada vez más.
Es importante destacar que el estudio también reveló una solución simple pero efectiva. El equipo de investigación extendió significativamente la vida útil del ciclo al optimizar el uso de la batería y evitar la descarga completa. En experimentos con baterías de alto níquel (que contienen más del 90% de níquel), los que se descargaron lo suficientemente profundos como para desencadenar la reacción de cuasi-conversión retuvieron solo el 3,8% de su capacidad después de 250 ciclos, mientras que las baterías con uso controlado mantuvieron el 73,4% de su capacidad incluso después de 300 ciclos.
El profesor Jihyun Hong, quien dirigió la investigación, declaró: “El impacto de la descarga, el proceso real de usar una batería, se ha pasado por alto en gran medida hasta ahora. Esta investigación presenta una dirección importante para desarrollar baterías más duraderas”.
Más información: Seungyun Jeon et al, pérdida de oxígeno inducida por reducción: el mecanismo oculto de reconstrucción de la superficie de los cáculos de óxido en capas en baterías de iones de litio, materiales de energía avanzada (2025). Doi: 10.1002/aenm.202404193
Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang
Cita: Mecanismo de degradación de la superficie oculto descubierto en cátodos de baterías de iones de litio (2025, 31 de marzo) Recuperado el 31 de marzo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-03-hidden-surface-degreadation-Mechanism Cathodes.html
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