Cambio de imagen de manganeso para baterías de iones de litio
22 de marzo de 2021: almacenamiento de energía en baterías de iones de litio almacenamiento de energía de iones de litio
Los cátodos sin cobalto podrían combatir los problemas de suministro utilizando uno de los metales más baratos disponibles.
Investigadores estadounidenses han fabricado una batería de iones de litio que utiliza manganeso como material catódico en lugar del cobalto o níquel tradicionales. El trabajo podría ofrecer una alternativa barata y abundante a estos recursos cada vez más caros y limitados, proporcionando una manera de satisfacer la creciente demanda de almacenamiento de energía de iones de litio.
La mayoría de los cátodos de baterías de iones de litio han dependido del cobalto o el níquel porque mantienen fácilmente las estructuras en capas y ordenadas. Pero en 2014 un grupo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) liderado por Gerbrand Ceder demostró que las baterías de iones de litio con una estructura desordenada podían funcionar siempre que fueran ricas en litio, abriendo la posibilidad de probar nuevas y posiblemente mejor, materiales.
Ceder y sus colegas de la Universidad de California y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, EE. UU., han desarrollado una batería de iones de litio con un cátodo desordenado a base de manganeso y han demostrado que podría almacenar potencialmente más energía que el cobalto o el níquel. «Nuestra idea era que si pudiéramos fabricar cátodos sin que nos importara la colocación de capas, podríamos utilizar un espectro mucho más amplio de metales», afirma el autor principal, Jinhyuk Lee, del MIT. "Decidimos optar por el manganeso, ya que es uno de los metales más baratos disponibles".
El manganeso ya se utiliza en los cátodos tradicionales de baterías de iones de litio en capas, pero como metal estabilizador con poca participación en el almacenamiento de electrones. Los intentos recientes de fabricar cátodos exclusivamente a partir de manganeso desordenado y otros óxidos metálicos han sido limitados porque se vuelven inestables y pierden capacidad debido a demasiada actividad redox de oxígeno cuando los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo de litio durante la carga.
Para reducir esta actividad y obtener un cátodo de óxido de manganeso de alta capacidad, el equipo de Ceder encontró una manera de conseguir que el manganeso intercambie dos electrones, que es lo que hacen los cátodos a base de níquel de alta capacidad, en lugar de uno. Esto implicó reducir la valencia del manganeso a Mn2+ sustituyendo algunos aniones de oxígeno por aniones de flúor de menor valencia y al mismo tiempo intercambiar algunos cationes de manganeso por iones de niobio y titanio de mayor valencia. Esto significó que podría ocurrir una doble redox de cationes de manganeso de Mn2+ a Mn4+, permitiendo que una alta fracción de iones de litio se moviera del cátodo al ánodo de litio sin volverse inestable.
«Nuestros resultados a escala de laboratorio [prueba de ciclos de batería] muestran una densidad de energía bastante mayor de nuestros cátodos (~1000 Wh/kg) en comparación con la de los cátodos existentes (600-700 Wh/kg)», dice Ceder. "Pero nuestros datos no están a escala comercial, por lo que deberían realizarse más pruebas y optimización de nuestros materiales".
«Aunque se necesitan más mejoras en la estabilidad del ciclo para aplicaciones prácticas, la estrategia presentada es muy prometedora y permite una exploración amplia de diversos cationes de alta valencia», comenta Gleb Yushin, que investiga el almacenamiento de energía en el Instituto de Tecnología de Georgia (EE.UU.). "La necesidad de reducir el voltaje de la celda a valores muy bajos puede crear una barrera para las aplicaciones de la tecnología reportada a dispositivos electrónicos, pero no debería ser un gran problema para las aplicaciones automotrices".
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