A mesura que creix la demanda de bateries recarregables, la necessitat de trobar materials sostenibles i econòmicament viables que millorin la seva vida útil i el seu rendiment esdevé cada cop més important. Les bateries d’ions de liti de nova generació s’estan dissenyant amb nous materials actius de càtode que permeten un emmagatzematge d’energia d’alt rendiment i eviten materials perillosos com el cobalt. Entre els candidats més prometedors per a l’elèctrode positiu hi ha els òxids en capes rics en níquel. Tot i això, aquests materials s’enfronten a reptes importants quant a l’estabilitat a llarg termini a causa de la seva degradació estructural. Un factor crucial, però sovint passat per alt, que afecta la seva estabilitat és la posició precisa dels àtoms de liti dins de la xarxa cristal·lina, una característica extremadament difícil de determinar a causa de la feble interacció del liti amb els mètodes estàndard de raigs X.

Un estudi recent, publicat a Nature Communications, aborda aquest repte mitjançant tècniques avançades de caracterització, incloent-hi la difracció de raigs X amb llum de sincrotró i la difracció de neutrons, per analitzar i optimitzar la distribució del liti dins dels elèctrodes rics en níquel. Aquest treball va ser un esforç col·laboratiu que va involucrar científics de les universitats de Shenzhen i Shanxi (Xina), l’ICN2 i l’ICREA (Espanya), juntament amb científics del Sincrotró ALBA, l’Institut Laue-Langevin (França), l’Institut de Tecnologia de Karlsruhe (Alemanya) i la UM6P (Marroc).

Ajustant la incorporació de liti i l’addició de múltiples dopants d’alta valència (Nb⁵⁺, W⁶⁺, Mo⁶⁺), l'equip investigador va identificar dos materials d’elèctrode amb millor durabilitat i estabilitat. L’optimització del rendiment del material també es va aconseguir mitjançant la creació d’estructures superxarxa, és a dir, assegurant que la distribució dels ions de liti no fos aleatòria. Petits canvis en l’ocupació del liti en els elèctrodes positius rics en níquel poden millorar significativament el rendiment electroquímic.

El grup va examinar l’estructura interna d’aquests elèctrodes utilitzant diverses tècniques i fonts de llum de sincrotró. En particular, van monitorar en temps real l’evolució estructural dels elèctrodes positius rics en níquel durant el funcionament de la bateria mitjançant difracció de raigs X in situ (SXRD) a la línia de llum MSPD d'ALBA. Els patrons de difracció d’alta resolució proporcionats per aquesta línia de llum van permetre seguir la posició del liti, així com les seves transicions de fase i els canvis en la xarxa cristal·lina.

“La possibilitat d’estudiar els elèctrodes en condicions operatives va ser clau per demostrar com l’ocupació del liti influeix en l’estabilitat i el rendiment, que són paràmetres clau en el desenvolupament de materials més duradors per a bateries d’ions de liti”, afirma Alexander Missyul, científic de la línia de llum MSPD.

Aquest estudi va identificar dos materials d’elèctrode optimitzats amb millores significatives en la ciclabilitat de les bateries. El primer, amb un contingut de liti d’1.08, va estabilitzar l’intercanvi liti/níquel i va millorar la durabilitat mecànica. El segon, amb un contingut de liti d’1.20, va afavorir l’activitat redox de l’oxigen, cosa que va contribuir a mantenir la integritat de l’elèctrode a voltatges més alts. Tots dos materials van demostrar una retenció de capacitat superior al 90% després de cicles prolongats, superant àmpliament els elèctrodes convencionals rics en níquel.

“Mitjançant l’ús d’una nova estratègia de regulació del liti i mètodes de caracterització amb sincrotró d’última generació, hem demostrat com el control dels defectes estructurals en els materials de les bateries d’ions de liti pot millorar les propietats electroquímiques i l’estabilitat dels elèctrodes rics en níquel. Aquests resultats obren el camí cap al desenvolupament de bateries d’ions de liti duradores i amb alta densitat energètica per a l’emmagatzematge d’energia a gran escala”, afirma l’investigador Hang Li de l’Institut de Materials Aplicats – Sistemes d’Emmagatzematge d’Energia del KIT.

Il·lustració esquemàtica dels diferents models estructurals de materials d’elèctrode positiu rics en níquel (Ni). Les fletxes dobles representen les posicions on té lloc l’intercanvi de liti (Li)/níquel (Ni), i les fletxes simples indiquen on apareix el liti en les capes de metalls de transició (TM).

Patró de contorn 2D de la SXRD in situ dels càtodes 102 (a.) i RM (b.). Els patrons corresponents de SXRD es mostren al costat esquerre (λ = 0,4139 Å). S’indiquen les posicions dels reflexos 003 en l’estat prístic i al 81% d’estat de càrrega (SoC).