Estudio: La exposición al aire acelera el envejecimiento de las baterías ricas en níquel
Los investigadores de la Universidad Hanyang en Corea del Sur han identificado un mecanismo de envejecimiento hasta ahora pasado por alto en los materiales catódicos ricos en níquel y sin cobalto. Sus hallazgos sugieren que el simple almacenamiento de los materiales precursores al aire puede provocar cambios químicos que reducen significativamente la vida útil de las baterías.
Los investigadores se centraron en catódicos sin cobalto con un núcleo rico en níquel y una capa rica en manganeso. Estos materiales se consideran un enfoque prometedor para aumentar el alcance de los vehículos eléctricos al mismo tiempo que se reduce la dependencia del cobalto, un material crítico. Sin embargo, el equipo descubrió que el simple almacenamiento de los materiales precursores al aire puede provocar cambios químicos que aceleran el envejecimiento de las baterías.
Según el estudio, almacenar materiales precursores al aire provoca que el manganeso en la superficie de las partículas se oxide. Esta oxidación genera regiones superficiales defectuosas que contienen especies de manganeso distorsionadas según el efecto Jahn-Teller. Estas especies reaccionan de manera especialmente intensa con el electrolito, favorecen la disolución de los metales de transición y desencadenan reacciones dañinas en el ánodo de grafito. En los sistemas de baterías ricos en níquel analizados, los investigadores descubrieron que este efecto casi duplicó la pérdida de capacidad durante las pruebas de ciclado a largo plazo.
“Descubrimos que una capa rica en manganeso, que normalmente se introduce para proteger los cátodos altamente ricos en níquel, puede convertirse en un catalizador para la degradación si la química de los precursores no se controla cuidadosamente”, explicó el profesor Bang. “Incluso pequeñas variaciones en el historial de almacenamiento de los precursores pueden afectar significativamente la estabilidad de la batería”.
Como solución potencial, los investigadores proponen aumentar el contenido de litio durante la síntesis. Según el estudio, este enfoque suprime la formación de la fase superficial defectuosa y restablece un enlace estable entre el manganeso y el oxígeno. En las pruebas, los cátodos producidos con este método conservaron más del 90% de su capacidad, lo que demuestra una mejora significativa en su estabilidad a largo plazo.
El equipo de investigación cree que estos hallazgos brindan información importante para el desarrollo de cátodos de alta energía sin cobalto. Destacan que la simple eliminación del cobalto no es suficiente. “Nuestros resultados demuestran que incluso pequeñas variaciones en el historial de los precursores pueden tener consecuencias significativas en el rendimiento de las baterías, lo que hace que la gestión de los precursores sea un factor importante en la fabricación a gran escala”, añadió el profesor Bang.
Según los investigadores, un control cuidadoso del manejo de materiales y de la estequiometría del litio podría ofrecer una vía relativamente sencilla para obtener baterías más duraderas, sin necesidad de recubrimientos adicionales costosos ni cambios fundamentales en las líneas de producción.
Para mayor claridad, el estudio no analiza las baterías LFP y NMC utilizadas en la mayoría de los vehículos eléctricos actuales. En su lugar, se centra en cátodos sin cobalto y ricos en níquel, con capas protectoras ricas en manganeso, que se están desarrollando como posibles sucesores de las celdas de iones de litio ricas en níquel existentes. Por lo tanto, los hallazgos ofrecen información valiosa para el desarrollo de baterías de tracción futuras, demostrando que la durabilidad a largo plazo depende no solo de la química de las celdas, sino también de un control cuidadoso del proceso de fabricación.