Investigadores han descubierto un método para suprimir la acumulación de gases en las baterías de litio-manganeso (LMR), un obstáculo importante para utilizar esta tecnología en celdas de gran formato para vehículos eléctricos. Las pruebas demostraron que celdas optimizadas de 40 Ah retuvieron el 92.2 por ciento de su energía inicial tras 883 ciclos de carga y descarga.
Este enfoque funciona controlando cómo reacciona el oxígeno dentro de la batería durante los procesos de carga y descarga. Investigadores de LG Energy Solution y la Universidad Nacional de Seúl determinaron que ajustar el rango de voltaje de la celda puede mejorar la recuperación de oxígeno y reducir las reacciones que generan gas.
La formación de gas es una preocupación mayor en baterías de gran formato, ya que existe un espacio limitado dentro de la celda para acomodar el aumento de presión interna. Esto también puede dañar la estructura interna de la batería y contribuir a la degradación del rendimiento.
Los investigadores probaron diferentes condiciones de carga y descarga para determinar cómo afectaban la reversibilidad del oxígeno en los cátodos LMR.
¿Cómo ayuda el control de voltaje a reducir los gases?
Descubrieron que tanto el voltaje superior de carga como el voltaje de corte de descarga juegan un papel fundamental en la restauración del oxígeno oxidado a su estado original.
Reducir el voltaje superior de carga de 4.6 V a 4.3 V aumentó la reducción de oxígeno oxidado del 86 por ciento al 97 por ciento. Disminuir el voltaje de corte de descarga de 3.0 V a 2.0 V también permitió que el oxígeno se recuperara hasta casi su estado original.
Los cátodos LMR utilizan manganeso como material principal y pueden prescindir del cobalto, lo que potencialmente reduce los costos de materiales. Estos cátodos almacenan energía mediante reacciones que involucran tanto al oxígeno como a metales de transición como el níquel y el manganeso.
Basándose en los hallazgos sobre la reacción del oxígeno, los investigadores rediseñaron el rango de voltaje operativo y las condiciones de formación para celdas de 40 Ah. También utilizaron un proceso de formación a menor temperatura para suprimir aún más la generación de gas.
Las celdas resultantes retuvieron el 92.2 por ciento de su energía inicial tras 883 ciclos, demostrando que la estrategia puede mantener la estabilidad en una celda de gran formato en lugar de solo en baterías a escala de laboratorio.
¿Por qué las celdas grandes muestran mayor durabilidad?
Los investigadores señalaron que los hallazgos apuntan al diseño de protocolos electroquímicos como una forma de mejorar la estabilidad de las baterías LMR sin depender únicamente de cambios en los materiales de la batería.
“Este estudio identificó las causas de la degradación en baterías LMR desde la perspectiva de la reversibilidad del oxígeno y demostró que la estabilidad de la celda puede mejorarse solo mediante el diseño de protocolos electroquímicos”, afirmó el profesor Jongwoo Lim de la Universidad Nacional de Seúl. “Confirmamos que lograr una estabilidad a largo plazo en baterías LMR requiere una consideración integral no solo de las condiciones de carga, sino también de las condiciones de descarga”.
Los resultados podrían ayudar a avanzar la tecnología LMR hacia celdas más grandes necesarias para aplicaciones de vehículos eléctricos, donde la generación de gas y la durabilidad a largo plazo han sido desafíos significativos.
“Esta investigación aborda uno de los desafíos clave que enfrentan las baterías LMR”, dijo un portavoz de LG Energy Solution. “Demuestra que se puede asegurar una vida útil estable incluso en celdas de gran formato al suprimir efectivamente la generación de gas, proporcionando una base importante para el crecimiento en el mercado de baterías LMR de próxima generación”.
El estudio fue publicado en Nature Communications.
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Vía Interesting Engineering.
