Pequeños cambios en los materiales pueden conducir a grandes mejoras en la carga rápida

La clave para desarrollar una batería de vehículo eléctrico que se pueda cargar tan rápido como se necesita para llenar el automóvil con gasolina son sus materiales.

Los materiales de cátodo con alto contenido de níquel y óxido en capas tienen el potencial de cargar las baterías de los vehículos eléctricos más rápido, llegar más lejos y durar más. Ahora, un equipo de científicos dirigido por el Laboratorio Nacional de Idaho ha descubierto que los cátodos hechos de un material rico en níquel llamado NMC811 (80 % níquel, 10 % manganeso, 10 % cobalto) tienen una vida útil más larga y un mejor rendimiento. Si bien no es una nueva química distinta, el NMC811 puede ofrecer un camino hacia un mejor rendimiento. La clave estará en conocer sus propiedades.

El mundo se encuentra en un punto de inflexión en lo que respecta a los vehículos eléctricos. En 2022, el 5,8 % de los automóviles nuevos que compraron los estadounidenses fueron eléctricos, frente al 3,2 % en 2021, y las ventas totales de automóviles eléctricos superaron los 800 000 por primera vez. Pero uno de los desafíos que enfrenta la industria es desarrollar una batería que pueda recargarse varias veces. veces en 10 a 15 minutos. La carga extremadamente rápida ejerce una presión significativa sobre cada componente de la batería, y las diferencias en la química, los materiales y la ingeniería de los electrodos pueden tener un gran impacto en el rendimiento.

Una batería de iones de litio proporciona energía mediante la transferencia de iones a través de electrolitos desde el cátodo al ánodo. Si bien los científicos están comenzando a comprender mejor el revestimiento de litio de los ánodos, entienden menos sobre los efectos de la carga extremadamente rápida en los cátodos. Ahora, los científicos del INL dirigidos por Tanvir Tanim han publicado un artículo en la edición de junio de 2022 Materiales energéticos avanzados, “Comprensión integral de los efectos del envejecimiento de la carga de cátodo NMC de Ni extremadamente rápida”. El documento explica que a medida que la industria de las baterías cambia a cátodos con mayor contenido de níquel, necesitaremos una comprensión completa de cómo los materiales pueden degradarse durante una carga extremadamente rápida.

El estudio del equipo detalla el envejecimiento del NMC811 bajo varias condiciones de carga rápida, la más extrema de las cuales corresponde a más de 200 000 millas. El documento compara el rendimiento de NMC811 con NMC532 (50 % níquel, 30 % manganeso, 20 % cobalto), el material de batería dominante cuando comenzó la investigación hace más de cinco años.

A diferentes tasas de carga rápida, el equipo de INL utilizó una variedad de técnicas electroquímicas para evaluar las celdas de la batería cargadas entre el 35 % y el 100 %. La investigación se centró en los mecanismos de daño, incluida la rotura mecánica de partículas durante el ciclo. Para ver cuántas grietas se produjeron en diferentes condiciones de ciclo, los investigadores utilizaron técnicas avanzadas de microscopía electrónica de barrido para estudiar la arquitectura de las partículas.

Al comparar los dos materiales del cátodo, Tanim dijo que estaban sorprendidos de que, si bien NMC811 mostró una mayor degradación del subsuelo, mostró un mejor ciclo de vida que NMC532. En parte, atribuyó esto a las moléculas en NMC811 dispuestas de una manera que crea vías de iones de litio más libres. El NMC811 también tiene una conductividad eléctrica e iónica más alta que el NMC532, lo que aumenta la cantidad de carga que la batería puede contener con el uso repetido.

Además, el NMC811 mostró un aumento más lento de la impedancia. La impedancia es una medida de la resistencia interna y es importante porque una alta resistencia hace que la batería se caliente, disminuya el voltaje y reduzca la capacidad de la celda hasta el punto en que se vuelve inutilizable. La batería de baja impedancia proporciona alta corriente bajo demanda.

En general, NMC811 exhibió una energía específica más alta (la energía eléctrica que se puede extraer de una celda en un ciclo de descarga dividida por el peso de una sola celda) y una mejor conductividad eléctrica que los grados de níquel más bajos. Dado que el cobalto es limitado en cantidad y costoso, el menor contenido de cobalto de NMC811 también indica un menor costo.

Las investigaciones realizadas en laboratorios nacionales van al Departamento de Energía de los Estados Unidos, que las pone a disposición de la comunidad científica, los desarrolladores de baterías y la industria automotriz. “Algunos fabricantes de automóviles ya comenzaron a usar NMC811 en sus cátodos, lo que hace que la investigación sea particularmente relevante”, dijo Tanim.

Tanim señaló que los efectos complejos de la orientación y la arquitectura del grano en el rendimiento de una sola partícula serán el foco del trabajo futuro. Sin embargo, en general, el equipo de investigación concluyó que los cátodos hechos de NMC811 pueden ser una mejor opción para las baterías EV que se pueden recargar en 10 a 15 minutos. “El NMC811 proporcionará más flexibilidad para optimizar la batería tanto para alta energía como para potencia”, se lee en el documento.