A un equipo de investigación liderado por el Profesor Jihyun Hong, del Departamento de Ingeniería de Baterías del Instituto de Tecnología de POSTECH, se le atribuye el desarrollo de una innovadora estrategia destinada a mejorar la durabilidad del óxido de litio rico en litio (LLO), un material de cátodo de próxima generación para baterías de iones de litio (LIBs). Este avance, que promete extender significativamente la vida útil de las baterías, ha sido publicado en la revista energética Energy & Environmental Science.
Las baterías de iones de litio son fundamentales en aplicaciones como vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía (ESS). El material LLO ofrece hasta un 20% más de densidad energética en comparación con los cátodos convencionales basados en níquel, al reducir el contenido de níquel y cobalto mientras se aumenta la composición de litio y manganeso. Esta alternativa más económica y sostenible ha captado la atención de la comunidad científica y de la industria. Sin embargo, desafíos como la degradación de la capacidad y la caída de voltaje durante los ciclos de carga y descarga han obstaculizado su viabilidad comercial.
Avances en la estabilidad del cátodo
Investigaciones previas habían identificado cambios estructurales en el cátodo durante los ciclos como la causa de estos problemas, aunque las razones exactas detrás de la inestabilidad habían permanecido en gran medida sin esclarecer. Las estrategias existentes para mejorar la estabilidad estructural del LLO no habían logrado resolver la raíz del problema, lo que ha dificultado su comercialización.
El equipo de POSTECH se centró en el papel crucial de la liberación de oxígeno en la desestabilización de la estructura del LLO durante el proceso de carga y descarga. A partir de esta hipótesis, buscaron mejorar la estabilidad química de la interfaz entre el cátodo y el electrolito para evitar la liberación de oxígeno. Al reforzar esta interfaz mediante una mejora en la composición del electrolito, lograron una reducción significativa en las emisiones de oxígeno.
El electrolito mejorado por el equipo de investigación mantuvo una impresionante tasa de retención de energía del 84.3% incluso tras 700 ciclos de carga y descarga, un avance notable en comparación con los electrolitos convencionales, que solo lograban un promedio del 37.1% de retención de energía tras 300 ciclos. Este hallazgo resalta la relevancia de la composición del electrolito en la durabilidad de las baterías.
Además, la investigación reveló que los cambios estructurales en la superficie del material LLO impactaban significativamente en la estabilidad general del mismo. Al abordar estos cambios, el equipo pudo mejorar drásticamente la vida útil y el rendimiento del cátodo, al tiempo que minimizaba reacciones no deseadas como la descomposición del electrolito dentro de la batería.
El Profesor Jihyun Hong comentó al respecto: «Utilizando radiación de sincrotrón, pudimos analizar las diferencias químicas y estructurales entre la superficie y el interior de las partículas del cátodo. Esto reveló que la estabilidad de la superficie del cátodo es crucial para la integridad estructural general del material y su rendimiento. Creemos que esta investigación proporcionará nuevas direcciones para el desarrollo de materiales de cátodo de próxima generación.»
Este estudio ha contado con el apoyo del Ministerio de Comercio, Industria y Energía a través del Instituto de Avance de Tecnología de Corea, así como del Ministerio de Ciencia y TIC mediante la Fundación Nacional de Investigación de Corea, con financiación prevista para 2024.
