El investigador Akira Yoshino creó la primera batería de iones de litio (Li-ion) comercialmente viable en 1985 –aporte que le hizo merecedor del Premio Nobel de Química 2019– y desde que estas baterías ingresaron al mercado en 1991, han revolucionado nuestras vidas.
Si bien su uso es estándar en dispositivos portátiles, aún existen limitaciones en cuanto a la capacidad de almacenamiento y preocupación por la seguridad y la contaminación causada por algunos de los materiales utilizados en su fabricación.
Nueva comprensión
En este sentido, investigadores de la Universidad de Oxford, la Universidad de Sevilla y la Universidad de Uppsala, han logrado un gran avance en la comprensión del almacenamiento de energía en las baterías de iones de litio.
Un objetivo importante del desarrollo de las baterías de iones de litio es aumentar su densidad energética. Esto se puede lograr, por ejemplo, utilizando materiales de electrodo que permitan altos voltajes durante la carga. No obstante, existe el riesgo de que estos altos voltajes produzcan oxígeno en el electrolito, un subproducto no deseado que degrada la batería y, sobre todo, desperdicia parte de la energía almacenada utilizable.
Es posible evitar la evolución de oxígeno en el electrolito utilizando nuevos materiales de cátodo a base de sodio, como Na 0.75 [Li 0.25 Mn 0.75] O2; sin embargo, este tipo de compuesto rico en iones alcalinos está asociado con una rápida pérdida de voltaje de la batería durante la descarga. Pero el equipo de investigación encontró la razón detrás de esto.
En un estudio anterior, los investigadores evidenciaron que los nuevos materiales de cátodo ricos en álcali deben su alta capacidad a la actividad de oxígeno, pero en ese momento se desconocía que se estaba formando como moléculas de gas en el cátodo mientras se cargaba la batería, y que se almacenaba “invisiblemente”.
El papel de la estructura
Los investigadores pudieron hacer este descubrimiento mediante la aplicación de una técnica de resolución ultra alta llamada dispersión de rayos X inelástica resonante. Al descubrir esto, el equipo comenzó a sospechar que el gas de oxígeno oculto era el culpable de reducir el voltaje de la batería.
El descubrimiento del gas oxígeno oculto despertó la curiosidad de los investigadores sobre el mecanismo subyacente en estos cátodos. Lo más importante, querían averiguar si había una manera de evitar que esto sucediera.
La imagen se aclaró cuando sintetizaron un nuevo material (Na 0.6 [Li 0.2 Mn 0.8] O2) el cual resultó retener su voltaje mucho mejor, a pesar de que su composición era muy similar al material anterior.
El origen de la diferencia se rastreó utilizando simulaciones computacionales, que mostraron que la formación de una cierta superestructura era propicia para la aparición de oxígeno oculto.
El primer material (Na 0.75 [Li 0.25 Mn 0.75] O2) posee una estructura de panal que permite capturar el gas en las cavidades que se crean cuando se carga la batería. Por el contrario, el segundo material (Na 0.6 [Li 0.2 Mn 0.8] O2) tiene una estructura de cinta que no es propensa a producir cavidades que puedan albergar oxígeno oculto.
El hallazgo, explican los investigadores, ayudará al desarrollo de nuevos materiales para futuras generaciones de baterías con voltajes significativamente más altos y más estables que los disponibles actualmente.
Referencia: Superstructure control of first-cycle voltage hysteresis in oxygen-redox cathodes. Nature, 2019. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1854-3
