A medida que crece la demanda de baterías recargables, la necesidad de encontrar materiales sostenibles y económicamente viables que mejoren su vida útil y rendimiento se vuelve cada vez más importante. Las baterías de iones de litio de nueva generación se están diseñando con nuevos materiales activos de cátodo que permitan un almacenamiento de energía de alto rendimiento y eviten materiales peligrosos como el cobalto. Entre los candidatos más prometedores para el electrodo positivo se encuentran los óxidos en capas ricos en níquel. Sin embargo, estos materiales enfrentan importantes desafíos en cuanto a estabilidad a largo plazo debido a su degradación estructural. Un factor crucial, pero frecuentemente pasado por alto, que afecta su estabilidad es la posición precisa de los átomos de litio dentro de la red cristalina, una característica extremadamente difícil de determinar debido a la débil interacción del litio con los métodos estándar de rayos X.

Un estudio reciente publicado en Nature Communications aborda este desafío mediante técnicas avanzadas de caracterización, incluyendo la difracción de rayos X con luz de sincrotrón y la difracción de neutrones, para analizar y optimizar la distribución del litio dentro de los electrodos ricos en níquel. Este trabajo fue un esfuerzo colaborativo que involucró a científicos de las Universidades de Shenzhen y Shanxi (China), el ICN2 e ICREA (España), junto a científicos del Sincrotrón ALBA, el Instituto Laue-Langevin (Francia), el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (Alemania) y la UM6P (Marruecos).

Ajustando la incorporación de litio y añadiendo múltiples dopantes de alta valencia (Nb⁵⁺, W⁶⁺, Mo⁶⁺), el equipo investigador identificó dos materiales para electrodos con mejor durabilidad y estabilidad. La optimización del rendimiento del material también se logró mediante la creación de estructuras de superredes, es decir, asegurando que la distribución de los iones de litio no fuera aleatoria. Pequeños cambios en la ocupación del litio en los electrodos positivos ricos en níquel pueden mejorar significativamente el rendimiento electroquímico.

El grupo examinó la estructura interna de estos electrodos utilizando varias técnicas y fuentes de luz de sincrotrón. En particular, monitorizaron la evolución estructural en tiempo real de los electrodos positivos ricos en níquel durante el funcionamiento de la batería mediante difracción de rayos X in situ (SXRD) en la línea de luz MSPD del Sincrotrón ALBA. Los patrones de difracción de alta resolución proporcionados por esta línea de luz permitieron seguir la posición del litio, así como sus transiciones de fase y cambios en la red cristalina.

“La posibilidad de estudiar los electrodos en condiciones operativas fue clave para demostrar cómo la ocupación del litio influye en la estabilidad y el rendimiento, que son parámetros clave en el desarrollo de materiales más duraderos para baterías de iones de litio”, afirma Alexander Missyul, científico de la línea de luz MSPD.

Este estudio identificó dos materiales de electrodo optimizados con mejoras significativas en la ciclabilidad de las baterías. El primero, con un contenido de litio de 1.08, estabilizó el intercambio litio/níquel y mejoró la durabilidad mecánica. El segundo, con un contenido de litio de 1.20, favoreció la actividad redox del oxígeno, lo que contribuyó a mantener la integridad del electrodo a voltajes más altos. Ambos materiales demostraron una retención de capacidad superior al 90% tras ciclos prolongados, superando ampliamente a los electrodos convencionales ricos en níquel.

"Mediante el uso de una novedosa estrategia de regulación del litio y métodos de caracterización por sincrotrón de última generación, hemos demostrado cómo el control de los defectos estructurales en los materiales de baterías de iones de litio puede mejorar las propiedades electroquímicas y la estabilidad de los electrodos ricos en níquel. Estos hallazgos abren el camino hacia el desarrollo de baterías de iones de litio duraderas y con alta densidad energética para el almacenamiento de energía a gran escala", afirma el investigador Hang Li del Instituto KIT de Materiales Aplicados - Sistemas de Almacenamiento de Energía.

Ilustración esquemática de los diferentes modelos estructurales de materiales de electrodo positivo ricos en níquel (Ni). Las flechas dobles representan las ubicaciones donde ocurre el intercambio de litio (Li)/níquel (Ni), y las flechas simples indican dónde aparece el litio en las capas de metales de transición (TM).

Patrón de contorno 2D de la SXRD in situ de los cátodos 102 (a.) y RM (b.). Los correspondientes patrones de SXRD se muestran en el lado izquierdo (λ = 0,4139 Å). Se indican las posiciones de los reflejos 003 en el estado prístino y al 81 % de estado de carga (SoC).