Cerdanyola del Vallès, 5 de desembre de 2019. No és cap sorpresa que l'àrea d'investigació sobre bateries ha rebut una atenció considerable en els darrers anys i s'estan fent grans esforços per comprendre i dissenyar bateries amb millors rendiments. Molts dels nostres dispositius electrònics personals actuals (ordinadors portàtils, tablets, telèfons mòbils, etc.) i també automòbils elèctrics depenen de l'ús de bateries de ions de liti. Per aquest motiu la carrera per aconseguir bateries que es puguin carregar en menys temps o que puguin emmagatzemar més energia ja ha començat.
Nascudes a principis de la dècada de 1990, les bateries de ions de liti es carreguen i descarreguen quan els ions de liti viatgen d'un costat a un altre entre l'elèctrode negatiu (ànode) i positiu (càtode) dins de la bateria. El material del càtode és un dels components més importants per determinar les propietats de la bateria. El LiCoO2 és l'òxid que demostra el millor rendiment electroquímic i el material més utilitzat en les bateries de ions de liti, amb una capacitat de prop de 140 mAh / g. Per augmentar la densitat d'energia, s'ha explorat la substitució química en el lloc del cobalt (Co), resultant en diverses combinacions que ofereixen menors costos de producció, més seguretat i majors densitats d'energia. En concret, quan el Co es reemplaça parcialment per manganès (Mn), níquel (Ni) i liti (Li), es forma un nou material, anomenat "Li-rich-NMC", amb prometedores prestacions electroquímiques. Aquest nou material permet emmagatzemar Li addicional en les capes del metall de transició i mostra capacitats superiors a 280 mAh/g, aproximadament el doble que la de LiCoO2 convencional.
Actualment s'està duent a terme una intensa recerca en òxids de metalls de transició rics en Li. Malgrat el seu funcionament a alts voltatges i les seves altes capacitats, aquests materials presenten una alta probabiblidad de fallar durant el cicle de càrrega. En tots els materials "Li-rich-NMC", la primera càrrega introdueix canvis estructurals i químics irreversibles que encara no s'entenen completament, el que limita el disseny de càtodes de major rendiment.
Investigadors del Sincrotró ALBA, l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), la Universitat de Bolonia i l'Institut Helmholtz Ulm (HIU) han analitzat l'evolució de les propietats electròniques i magnètiques del manganès en un material de càtode ric en liti, centrant-se en el primer cicle de càrrega / descàrrega.
"Necessitem entendre com reacciona aquest material durant l'estat de càrrega per a dissenyar estratègies que permetin controlar l'estructura i millorar el cicle de vida útil de l'elèctrode", diu Laura Simonelli, científica a càrrec de la línia de llum CLAESS de l'ALBA i primera autora de l' estudi. Els resultats suggereixen que el manganès, generalment considerat inert en el procés electroquímic, té un paper central en el cicle de vida limitat d'aquest tipus de bateries. Curiosament, durant la càrrega, el manganès es redueix en lloc d' oxidar-se, amb el seu comportament en estat redox sempre oposat al mecanisme de compensació de càrrega. A més, la reducció del manganès es correlaciona amb l'oxidació de Ni, el que suggereix que té un paper clau en la definició de les propietats electroquímiques finals. Això revela la importància del control sobre tots els metalls de transició a escala local per millorar el rendiment de la bateria.
En resum, els autors han demostrat com la tensió controla l'oxidació del manganès així com el seu espí, proporcionant nous coneixements sobre un mecanisme fonamental que s'ha de tenir en compte a l'hora de desenvolupar estratègies de disseny per millorar l'electroquímica dels càtodes rics en Li.
Durant la investigació, es van dur a terme experiments d'absorció i emissió de raigs X a la línia de feix CLAESS del Sincrotró ALBA per identificar les propietats electròniques i magnètiques locals del Mn, on aquestes últimes es van obtenir mesurant la línia d'emissió de Mn Kβ per mitjà de l'espectròmetre CLEAR. Aquests són els primers resultats publicats que mostren parcialment les capacitats de l'espectròmetre CLEAR, un instrument de CLAESS que ha estat dissenyat internament i fabricat entre el personal d'ALBA i l'empresa NTE (SENER). L'espectròmetre d'emissió de raigs X CLEAR funciona en geometria circular Rowland cobrint contínuament entre 6,4 i 22 keV.
Els resultats CLAESS s'han complementat amb els obtinguts en la línia de llum MISTRAL permetent identificar la correlació entre les xarxes de manganès-oxigen i níquel-oxigen i la seva distribució espacial. "Les tècniques basades en sincrotró ofereixen grans oportunitats per a estudiar en detall aquests materials, des de diferents perspectives i metodologies", afegeix Laura Simonelli.
