Los investigadores pretenden utilizar cátodos a base de níquel, uno de los dos electrodos que facilitan el almacenamiento de energía en las baterías, para baterías de vehículos eléctricos (VE) más seguras y de alta energía.
El níquel es menos estable que otros materiales en términos de ciclo de vida y estabilidad térmica.
Ahora, investigadores de la Universidad de Texas en Austin y el Laboratorio Nacional Argonne se han esforzado por cambiar esta situación al realizar más de 500 mediciones en 15 materiales de cátodo con alto contenido de níquel.
El equipo descubrió que cada cátodo tiene un estado crítico de carga que define su límite operativo seguro. Los investigadores revelaron que la fuerza de los enlaces metal-oxígeno y la reactividad superficial influyen en este estado crucial.
Los cátodos con alto contenido de níquel revolucionarán el mercado de los vehículos eléctricos
También subrayaron que una vez que el material excede este límite, se produce inestabilidad. Esto puede desencadenar la catastrófica condición de fuga térmica, cuando el aumento de temperatura libera energía que calienta aún más la batería, lo que aumenta sustancialmente el riesgo de fallas o incendios. «Los cátodos con alto contenido de níquel tienen el potencial de revolucionar el mercado de los vehículos eléctricos al proporcionar mayores autonomías de conducción», dijo Arumugam Manthiram, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica Walker y del Instituto de Materiales de Texas y uno de los líderes del estudio publicado en la revista Nature Energy .
«Nuestro estudio proporciona un análisis exhaustivo de su estabilidad térmica, lo cual es crucial para desarrollar baterías más seguras».
Los cátodos de óxido de níquel alto son los preferidos en las baterías de litio para automóviles
Los investigadores destacaron que los cátodos con alto contenido de óxido de níquel (LiNixM1−xO2) son los preferidos en las baterías de litio para vehículos eléctricos , pero estos enfrentan desafíos de inestabilidad térmica.
Desarrollaron un índice de estabilidad térmica, cuantificando cómo reacciona el material durante la fuga térmica. Los factores que influyen en la estabilidad térmica del cátodo incluyen la composición del cátodo, la química de la superficie, el contenido de níquel y el tamaño del cristal.
«Presentamos aquí un análisis térmico estadístico basado en las mediciones de calorimetría diferencial de barrido de 15 materiales representativos de cátodos con diferentes composiciones, morfologías y estados de carga», dijeron los investigadores.
Los hallazgos publicados en Nature revelaron que cada cátodo tiene un estado crítico de carga que define su límite operativo seguro, el cual se ve afectado por la fuerza del enlace metal-oxígeno y la reactividad de la superficie.
Fabricando mejores baterías para vehículos eléctricos
“La temperatura de desbordamiento térmico está determinada por la transición de fase en capas de Li⁻⁶xNiO⁻ a Li⁻⁶O⁻, similar a una espinela, que está determinada termodinámicamente por la covalencia del enlace metal-oxígeno y cinéticamente influenciada por la mezcla de cationes y el tamaño de partícula”, explicaron los investigadores del estudio.
Utilizaron espectroscopía Raman para predecir la temperatura de desbordamiento térmico basándose en la relación lineal entre ambos.
“Finalmente, proponemos un índice de estabilidad térmica para cuantificar la estabilidad térmica del cátodo como guía para el desarrollo de cátodos con alto contenido de níquel más seguros”, añadieron los investigadores.
Se afirma que el estudio tiene implicaciones de gran alcance, ofreciendo una vía para baterías de vehículos eléctricos más seguras y eficientes que puedan satisfacer la creciente demanda de transporte. Se afirma que estos avances son cruciales para que los vehículos eléctricos sean más viables y atractivos para los consumidores.
“Nuestro trabajo proporciona una hoja de ruta a seguir para la industria, garantizando que la alta densidad energética de estos cátodos no se produzca a costa de la seguridad”, afirmó Zehao Cui, investigador asociado del grupo de Manthiram.
Consejos y trucos
Ahora, los investigadores continuarán su trabajo sobre la estabilidad térmica y los cátodos. A continuación, incorporarán los electrolitos a la ecuación.