En un estudi publicat a Advanced Functional Materials, investigadors mostren l'optimització de la síntesi del material NCM622 per càtodes de bateries d'ió-liti, aconseguint un menor cost de capacitat d'energia i una alta ciclabilitat. Els resultats poden aplicar-se a la producció de bateries d'ió-Li millorades per a l'electrònica moderna. La reacció de síntesi es va investigar utilitzant la tècnica de Difracció de Raigs-X in situ a la línia de llum MSPD del Sincrotró ALBA.

Figura. Imatges de microscòpia electrònica de rastreig (SEM, per les sigles en anglès) on es mostren els canvis en la morfologia del material depenent de la temperatura de síntesi.

Cerdanyola del Vallès, 8 d'abril de 2021.

Els materials LNCMO, òxids en capes rics en níquel Li(NixCoyMn1−x−y) O2 es troben entre els materials per a càtodes més prometedors per a la propera generació de bateries de ió-liti. Aquest tipus de bateries són molt populars en molts dels dispositius electrònics que fem servir cada dia.

Quan es dissenyen i preparen materials per càtodes a través d'una reacció de litiació (addició d'àtoms de liti al material) és fonamental desxifrar la sofisticada interacció entre la termodinàmica i la cinètica de la reacció. Mentre que la termodinàmica està relacionada amb cap a on va la reacció, la cinètica es relaciona amb el camí necessari per arribar a l'estat final.

L'equip d'investigació ja havia desenvolupat mètodes escalables per a la síntesi d'aquest tipus de càtodes en una col·laboració passada amb el Sincrotró ALBA. Ara, en un estudi publicat a la revista científica Advanced Functional Materials, mostren l'optimització de la síntesi d'un material diferent també per càtodes de bateries d'ió-Li, NCM622 (60% níquel, 20% cobalt i 20% manganès), aconseguint un menor cost de capacitat d'energia i una alta ciclabilitat. El cost de la capacitat d'energia es defineix com el cost de la capacitat d'emmagatzematge d'1 kWh d'energia, mentre que la ciclabilitat és el nombre de cicles de càrrega / descàrrega que la bateria pot suportar sense degradar-se.

Els resultats poden aplicar-se a la producció de bateries d'ió-Li millorades per a l'electrònica moderna.

El treball el va dur a terme un equip d'investigació internacional amb col·laboradors de la Guilin University of Technology a la Xina, el Karlsruhe Institute of Technology (KIT) i el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) a Alemanya i el Sincrotró ALBA a Espanya.

Els investigadors van dur a terme un estudi detallat de les reaccions químiques que tenen lloc durant la formació de l'NCM622. Sembla que ajustant les condicions de reacció és possible separar els estats de:

- la formació inicial de la fase en capes

- l'ordenació de cations (ions amb càrrega elèctrica positiva) dins de la mateixa

- i el creixement de cristalls microscòpics, coneguts com a cristal·lites.

Interrompent la reacció immediatament després de la completa ordenació dels cations, és possible obtenir un material amb la màxima capacitat de càrrega possible i una capacitat de retenció (habilitat per retenir l'energia emmagatzemada) extremadament alta després de ciclats prolongats.

La reacció es va investigar utilitzant la tècnica de Difracció de Raigs-X (XRD, per les sigles en anglès) d'alta resolució, in situ, amb resolució temporal a la línia de llum MSDP del Sincrotró ALBA.

"La tècnica XRD usant raigs-X és un mètode potent per traçar l'evolució estructural i la transformació de fase durant reaccions inorgàniques, en contrast amb el XRD dut a terme amb Difractòmetres de laboratori que són massa lents per poder seguir la reacció química in situ "explica Alexander Missyul, científic de la línia de llum MSPD.

Per obtenir una millor comprensió de la reacció, es van utilitzar dues aproximacions complementàries: escalfar la barreja dels reactius inicials a una velocitat d'escalfament constant fins a arribar a la temperatura seleccionada i carregar ràpidament la barreja de reacció en una zona calenta i fer un seguiment de les transformacions químiques a una temperatura constant.

La sèrie de materials de càtode obtinguts sota diferents condicions es van investigar electroquímicament per trobar la mostra amb el millor rendiment. A més, es va obtenir informació addicional a través d'una anàlisi XRD operando (condicions reals de funcionament) de les bateries de prova durant els primers cicles de càrrega-descàrrega.

La investigació va estar recolzada a més per dades d'Espectroscòpia d'Absorció de raigs X (XAS, per les sigles en anglès), recollits al sincrotró DESY.

Figura. (a, d) Dades de rendiment electroquímic de bateries basades en NCM622 obtinguts en diferents condicions. (E, f) Dades de difracció in situ obtingudes durant la síntesi del material per càtode NCM622.

Referència: Suning Wang, Weibo Hua, Alexander Missyul, Mariyam Susana Dewi Darma, Akhil Tayal, Sylvio Indris, Helmut Ehrenberg, Laijun Liu, and Michael Knapp. Kinetic Control of Long-Range Cationic Ordering in the Synthesis of Layered Ni-Rich Oxides. Adv. Funct. Mater. 2021, 2009949. DOI: 10.1002/adfm.202009949