Figura. Ilustración esquemática de un mecanismo subsecuente de (de)litiación en los materiales NCM core-shell para cátodo durante el primer ciclo, mostrando un claro cambio en el volumen de la celda unidad de la fase rica en níquel en la región interior de una partícula secundaria con respecto a la fase rica en manganeso. Ni – blanco; Mn – magenta; Co – azul.
Cerdanyola del Vallès, 21 de septiembre de 2020. Los compuestos de intercalación LiNixCoyMn1-x-yO2 (NCM) con una arquitectura core-shell (núcleo-caparazón o capa externa) parecen ser candidatos prometedores para aplicaciones de la siguiente generación de baterías ion-litio. Las propiedades funcionales de los cátodos NCM dependen de las ratios relativas de los metales de transición, siendo un reto controlar la estructura real de los materiales core-shell de cátodo NCM y entender el efecto sinérgico del núcleo y la capa externa durante una sucesión de ciclos electroquímicos.
Un grupo de investigación internacional formado por investigadores del State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices (University of Electronic Science and Technology of China); el Institute for Applied Materials (Karlsruhe Institute of Technology, Alemania); la Technische Universität München y el Sincrotrón ALBA, ha desarrollado una estrategia universal y simple para sintetizar un material NCM para baterías de ion-litio, que están compuestas de un núcleo interno rico en níquel (Ni) y una capa externa rica en manganeso (Mn). El material combina una alta capacidad eléctrica de la fase rica en Ni y una elevada estabilidad de la fase rica en Mn, proporcionando de este modo propiedades electroquímicas mejoradas comparadas a las de cualquiera de esas fases por separado.
Este estudio aporta nuevos conocimientos sobre el efecto sinérgico de las dos fases en capas con morfología core-shell en el desarrollo electroquímico de materiales de cátodo NCM.
Estos descubrimientos también ofrecen una nueva perspectiva para el diseño racional de materiales en capas para cátodo basados en níquel con una alta energía y una larga vida cíclica con características particulares de dos fases electroquímicas.
El material core-shell se sintetizó por co-precipitación secuencial de los hidóxidos del metal de transición, seguida de una reacción del precursor obtenido con carbonato de litio. La estructura cristalina del material puro se determinó a través del refinamiento simultáneo de los datos de difracción en polvo de rayos-X de sincrotrón – tomados en la línea de luz MSPD del Sincrotrón ALBA – y los datos de difracción en polvo de neutrones – en la línea de luz SPODI en el Neutron Research Source Heinz Maier (Leibnitz, Alemania). El mecanismo del proceso de carga/descarga se analizó utilizando difracción en polvo de sincrotrón in situ – también en la línea de luz MSPD de ALBA – y espectroscopia de absorción de rayos-X in situ – en la línea de luz CLAESS de ALBA.
Figura. Datos obtenidos en las líneas de luz MSPD y CLAESS del Sincrotrón ALBA. Mecanismo de (de)litiación de los materiales de cátodo NMC core-shell durante el ciclado. (a) Evolución de la reflexión SRD del electrodo NCM core-shell durante la primera carga-descarga y el segundo proceso de carga. (b) variación de los parámetros de red en función del proceso de de-litiación y litiación, los parámetros de red de cada patrón SRD revelan una buena estabilidad estructural para la fase rica en Mn Nr. 2. (c) Espectro XANES in situ en los vórtices-K del Ni, Co y Mn del cátodo NCM core-shell durante el ciclado.
Referencia: Weibo Hua, Björn Schwarz, Raheleh Azmi, Marcus Müller, Mariyam Susana Dewi Darma, Michael Knapp, Anatoliy Senyshyn, Michael Heere, Alkesandr Missyul, Laura Simonelli, Joachim R. Binder SylvioIndris, Helmut Ehrenberg. Lithium-ion (de)intercalation mechanism in core-shell layered Li(Ni,Co,Mn)O2 cathode materials. Nano Energy (2020). DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105231
