El Sincrotró Alba impulsa bateries per a cotxe de molta durada i alta capacitat

Les bateries d'ions de liti d'última generació amb alta capacitat i baix cost són el present i futur del cotxe elèctric. El Sincrotró Alba impulsa una recerca d’un nou material que genera bateries que poden operar durant molts més cicles de càrrega/descàrrega que les tradicionals sense una pèrdua de capacitat notable.

Amb l'increment de vehicles híbrids i elèctrics, hi ha una necessitat creixent de dispositius d'emmagatzematge d'energia elèctrica. Per poder complir aquesta necessitat, des del Sincrotró subratllen que seran crucials les bateries d'ions de liti d'última generació que fan servir materials per al càtode d'alta energia. Dins dels diversos tipus de materials per a càtode, “uns dels més prometedors” són els òxids laminats rics en liti i manganès (LMLOs, per les sigles en anglès), això és degut” a la seva alta capacitat – la quantitat total d'energia que pot generar la bateria – i al seu baix cost”.

Degradació per estrès mecànic

Tradicionalment, aquest tipus de materials per a bateries són, concretament, LMLOs policristal·lins (LMLO-PC). Un material policristal·lí està format per diversos cristalls individuals més petits amb orientacions aleatòries, anomenats grans o cristalls. Tot i que “aquesta microestructura estimula la difusió dels ions de liti dins dels materials de la bateria, es tracta d'una estructura propensa a degradar-se ràpidament a causa de l'estrès mecànic que pateix durant l'operació de la bateria”, fet que en dificulta seriosament l'aplicació pràctica.

Un equip de recerca ha desenvolupat una nova estratègia de síntesi d'òxid laminat ric en liti i manganès amb estructura monocristal·lina (LMLOs-SC) com a material per a càtode, mitjançant una reacció d'intercanvi de liti/sodi. Es tracta d'un tipus de reacció química en què una substància que conté sodi reacciona amb dissolucions que contenen sal de liti. D'aquesta manera, els ions de sodi són substituïts per ions de liti presents a la dissolució. El que s'aconsegueix amb aquest mètode, aclareixen a Alba, és que “el material de liti que s'obté tingui una estructura cristal·logràfica, una morfologia de les partícules i una mida similar al seu anàleg de sodi”.

Més cicles de càrrega/descàrrega sense perdre capacitat

Per a aquest treball en concret, els investigadors van utilitzar com a material inicial òxid laminat ric en sodi i manganès amb estructura monocristal·lina. Aquesta estratègia “permet preparar elèctrodes que mantenen una conductivitat iònica raonablement alta alhora que són extremadament estables respecte a l'estrès mecànic intern, comparat amb el mateix material d'estructura policristal·lina”. Com a resultat, les bateries basades en aquest nou material poden operar durant molts més cicles de càrrega/descàrrega que les bateries tradicionals sense una pèrdua de capacitat notable. Aquest nou material té aplicacions potencials al camp de les bateries per a electrònica, cotxes elèctrics, etc.

Investigació internacional

Els elèctrodes es van investigar emprant les tècniques de difracció de raigs-X de radiació sincrotró (sXRD, per les sigles en anglès) i espectroscòpia d'absorció de raigs-X (XAS, per les sigles en anglès) a la línia de llum MSPD del Sincrotró ALBA i a la font de radiació de raigs-X PETRA-III (DESY). La combinació d'aquestes tècniques, juntament amb la microscòpia electrònica de transmissió (TEM, per les sigles en anglès) i tests electroquímics, va permetre dur a terme un estudi sistemàtic sobre l'estructural cristal·lina, la morfologia i l'electroquímica de l'LMLO monocristal·lí i el seu anàleg policristal·lí.

Aquest treball és una col·laboració entre la Universitat Xi'an Jiaotong (Xina), l'Institut per a Materials Aplicats-KIT, l'Institut de Nanotecnologia-KIT i el Deutsches Elektronen-Synchrotron-DESY (Alemanya) i el Sincrotró ALBA.