Cerdanyola del Vallès (Barcelona), 12 d'abril de 2019 - Les bateries de ions de liti són presents en molts dels dispositius electrònics que es fan servir diàriament. Es carreguen i descarreguen quan els ions de liti es desplacen entre l'ànode i el càtode que connecta la bateria. Com més gran és la quantitat de ions de liti que conté el càtode, major capacitat d'emmagatzematge d'energia té la bateria.
Una gran part d'aquestes bateries contenen un càtode format per liti i cobalt, un element difícil d'obtenir, altament tòxic i la matèria primera més cara d'aquest tipus de bateries. A més, els càtodes amb cobalt tenen un rendiment limitat, ja que només utilitzen al voltant del 50% de la capacitat total del material. Per aquest motiu la comunitat científica busca noves solucions per desenvolupar càtodes rics en liti sense cobalt.
Un grup de recerca internacional format per l'Institut de Tecnologia de Karlsruhe, el Centre de Recerca Jülich, la Universitat Tècnica de Munich (Alemania), la Universitat de Sichuan (China), la Universitat de Wollongong (Australia) juntament amb científics del Sincrotró ALBA i DESY (Alemanya) ha desenvolupat una tecnologia per sintetitzar òxids laminars rics en liti.
"Aquests compostos són molt prometedors per a ser utilitzats com a càtodes en la propera generació de bateries de ions de liti perquè funcionen a alts voltatges i ofereixen capacitats més grans. Això vol dir que bateries més petites podran lliurar més energia. Tot i això, el seu cicle de vida segueix sent limitat, reduint-ne les seves aplicacions. Les seves propietats electroquímiques estan directament relacionades amb la seva composició de fases i preparació. Per això és clau investigar-los a fons", diu Björn Schwarz, investigador de l'Institut de Tecnologia de Karlsruhe.
Els experts han proposat un mètode escalable per a la síntesi d'aquests materials: un sistema de co-precipitació seguit d'un procés d'escalfament mitjançant microones. A més de descriure detalladament el procés, l'experiment ha demostrat que els materials sintetitzats amb aquest mètode tenen una alta capacitat d'emmagatzematge d'energia així com una ràpida velocitat de descàrrega, sent aproximadament 10 vegades més ràpid que les bateries convencionals. Això és molt important en dispositius com les bateries dels cotxes elèctrics, ja que per accelerar necessiten molta energia en pocs segons.
Durant la investigació, es van utilitzar diverses tècniques de llum de sincrotró a l'ALBA i DESY per comprendre de manera integral la transformació dels precursors durant la síntesi d'aquests materials.
"La llum de sincrotró ha estat molt útil per seguir la reacció en temps real i determinar com canvia la seva estructura", diu Aleksandr Missiul, investigador post-doctoral a la línia de llum MSPD del Sincrotró ALBA i coautor de la publicació. "Al mateix temps, l'espectroscòpia d'absorció de raigs X realitzada a la línia de llum CLAESS de l'ALBA va poder identificar els canvis químics que es produeixen durant la síntesi", comenta Laura Simonelli, coautora i responsable de CLAESS. MSPD s'ha convertit en una línia de llum líder a Europa per a aquest tipus d'estudis i la complementarietat entre MSPD i CLAESS és un avantatge per als usuaris. Les mesures de raigs X també es van realitzar a PETRA III a DESY. Anàlisis de microscòpia electrònica de rastreig, espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear i estudis electroquímics van completar la investigació.
Els resultats s'han publicat a la revista científica Advance Science News, apareixent en portada.
"Comprendre com reaccionen aquests càtodes permetrà dissenyar futurs materials per utilitzar com a càtodes en les bateries de ions de liti de la propera generació", diu Weibo Hua, investigador de l'Institut de Tecnologia de Karlsruhe.
Fig: (a) Espectres de ressonància magnètica nuclear del 7Li, (b-c) Espectres d'absorció de raigs X, (d-f) Imatges de microscòpia mostrant els canvis morfològics, (g) Esquema que representa els canvis estructurals del òxids laminars rics en liti durant el procés d'escalfament.
Aquesta investigació ha estat recolzada pel projecte CALIPSOplus, que ha rebut fons del programa de recerca i innovació de la Unió Europea, Horitzó 2020, en virtut de l'acord de subvenció Núm 730.872.
