KAIST descubre la causa de la degradación del rendimiento de las baterías de alto contenido en níquel de los vehículos eléctricos
Las baterías de alto contenido en níquel, que son baterías de iones de litio de alta energía utilizadas principalmente en vehículos eléctricos, ofrecen una alta densidad energética pero sufren una rápida degradación de su rendimiento. Un equipo de investigación del KAIST ha identificado, por primera vez a nivel mundial, la causa fundamental del rápido deterioro (degradación) de las baterías de alto contenido en níquel y ha propuesto un nuevo enfoque para solucionarlo.
El KAIST anunció el 3 de diciembre que un equipo de investigación dirigido por el profesor Nam-Soon Choi, del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, en colaboración con un equipo de investigación dirigido por el profesor Dong-Hwa Seo, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ha revelado que el aditivo electrolítico "succinonitrilo (CN4), que se ha utilizado para mejorar la estabilidad y la vida útil de las baterías, es en realidad el principal culpable de la degradación del rendimiento de las baterías de alto contenido en níquel.
En una pila, la electricidad se genera cuando los iones de litio viajan entre el cátodo y el ánodo. En el electrolito se incluye una pequeña cantidad de CN4 para facilitar el movimiento del litio. El equipo de investigadores confirmó mediante cálculos informáticos que el CN4, que tiene dos estructuras de nitrilo (-CN), se adhiere con excesiva fuerza a los iones de níquel de la superficie del cátodo de alto contenido en níquel.
La estructura de nitrilo es una estructura en forma de "gancho", en la que el carbono y el nitrógeno están unidos por un triple enlace, lo que hace que se adhiera bien a los iones metálicos. Esta fuerte unión destruye la doble capa eléctrica protectora (EDL) que debería formarse en la superficie del cátodo. Durante el proceso de carga y descarga, la estructura del cátodo se distorsiona (distorsión de Jahn-Teller), e incluso los electrones del cátodo son arrastrados hacia el CN4, lo que provoca un rápido deterioro del cátodo.
Los iones de níquel que se escapan durante este proceso migran a través del electrolito hasta la superficie del ánodo, donde se acumulan. Este níquel actúa como un "catalizador malo" que acelera la descomposición del electrolito y desperdicia litio, acelerando aún más la degradación de la batería.
Diversos análisis confirmaron que el CN4 transforma la superficie del cátodo con alto contenido en níquel en una capa anormal deficiente en níquel, y cambia la estructura normalmente estable en una "estructura de sal de roca" anormal.
Esto demuestra la doble naturaleza del CN4: aunque es útil en las baterías LCO (óxido de litio y cobalto), en realidad provoca el colapso estructural en las baterías de alto contenido en níquel con una elevada proporción de níquel.
Esta investigación tiene un significado significativo como análisis preciso que va más allá del simple control de las condiciones de carga/descarga, para llegar incluso a dilucidar la transferencia real de electrones que se produce entre los iones metálicos y las moléculas del electrolito. A partir de este logro, el equipo de investigación planea desarrollar un nuevo aditivo electrolítico optimizado para cátodos con alto contenido en níquel.
El profesor Nam-Soon Choi declaró: "Para aumentar la vida útil y la estabilidad de las baterías es esencial una comprensión precisa a nivel molecular. Esta investigación allanará el camino para el desarrollo de nuevos aditivos que no se adhieran excesivamente al níquel, contribuyendo significativamente a la comercialización de baterías de alta capacidad de próxima generación."
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