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Las baterías con un alto contenido de níquel en el cátodo ofrecen una gran densidad energética pero sufren una rápida degradación de su rendimiento.
Un equipo de investigación del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) ha identificado ahora la causa fundamental de la rápida degradación de este tipo de baterías, lo que les permite comprender sus causas y desarrollar de inmediato un nuevo enfoque para abordar el problema.
La pérdida de rendimiento inusualmente rápida en las pilas con mayor contenido de níquel en el cátodo se debe a una interacción desconocida hasta ahora entre el níquel y un aditivo mezclado en el electrolito. En concreto, se trata del succinonitrilo (CN₄), que se utiliza en los electrolitos líquidos para mejorar la estabilidad y la vida útil de las baterías.
Sin embargo, el equipo de investigación dirigido por el profesor Nam-Soon Choi, del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, en colaboración con otros departamentos, descubrió que el succinonitrilo es el principal factor que acelera la degradación de las baterías de alto contenido en níquel.
El CN₄ se utiliza para facilitar el movimiento de los iones de litio en el electrolito, un proceso esencial para almacenar electricidad en la pila. Sin embargo, los nuevos hallazgos de Corea del Sur revelan que el CN₄ también presenta dos estructuras de nitrilo (-CN) que "se unen con excesiva fuerza a los iones de níquel en la superficie del cátodo de alto contenido en níquel", según explica el portal científico alemán Chemie.de.
"La estructura del nitrilo es una formación en forma de ´gancho´ en la que el carbono y el nitrógeno están conectados por un triple enlace, lo que le permite adherirse fuertemente a los iones metálicos. Este fuerte enlace destruye la doble capa eléctrica protectora (EDL) que debería formarse en la superficie del cátodo".
Durante la carga y la descarga, los electrones son incluso arrastrados desde el cátodo hacia el CN₄, dañando aún más el cátodo. Además, los iones de níquel liberados se acumulan en el ánodo, donde no sólo bloquean la superficie necesaria para el transporte de iones de litio, sino que también actúan como catalizador para la descomposición del electrolito. En las baterías con óxido de litio y cobalto (LCO), el CN₄ ha demostrado ser beneficioso, mientras que en las químicas de celdas ricas en níquel, daña la estructura.
La solución del equipo del KAIST es sencilla pero aún no se ha llevado a la práctica: hay que desarrollar nuevos aditivos para electrolitos que sean compatibles con las químicas de las pilas de alto contenido en níquel y no contribuyan a su degradación. "Una comprensión precisa a nivel molecular es esencial para mejorar la vida útil y la estabilidad de las pilas", afirmó el profesor Nam-Soon Choi.
"Esta investigación allanará el camino para el desarrollo de nuevos aditivos que no se unan excesivamente al níquel, contribuyendo así de forma significativa a la comercialización de la próxima generación de baterías de alto rendimiento".
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