Un equip de recerca ha desenvolupat una nova estratègia de síntesi d'un material per a càtode amb estructura monocristal·lina. Els resultats mostren que el nou material és extremadament estable respecte a l'estrès mecànic intern comparat amb el mateix material d'estructura policristal·lina, que s'utilitza tradicionalment.

Aquest nou càtode té aplicacions prometedores al camp de les bateries d'ions de liti per a electrònica, cotxes elèctrics, etc. Alguns dels experiments es van dur a terme a la línia de llum MSPD d'ALBA.

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, 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.

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 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.

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.

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.

Figure. Schematic diagram of the synthesis of polycrystal and single-crystal lithium- and manganese-rich layered oxide - Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2 - cathode materials. Corresponding SXRD, SEM and TEM data.

Figura. Diagrama esquemàtic de la síntesi de l’òxid laminat ric en liti i manganès monocristal·lí i  policristal·lí - Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2 – que serveixen com a materials per a càtode. Dades corresponents de SXRD, SEM i TEM.

Amb la col·laboració de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia. El Sincrotró ALBA forma part de la xarxa d'Unitats de Cultura Científica i de la Innovació (UCC+i) de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia (FECYT) i ha rebut suport a través del projecte FCT-20-15798.