Alúmina, el «salvador» de los materiales para baterías catódicas
La estructura básica de las baterías de iones de litio comprende el electrodo positivo, el electrodo negativo, el electrolito, el separador y la carcasa. El material del electrodo positivo es el núcleo de las baterías de iones de litio y determina su densidad energética, voltaje, ciclo de vida y seguridad.
Actualmente, si bien el óxido de litio y cobalto (LiCoO₂), el óxido de litio y manganeso (LiMn₂O₄), el fosfato de litio y hierro (LiFePO₄) y los materiales ternarios (Li-Ni-Co-Mn-O₄) son cuatro materiales comercializados para electrodos positivos de baterías de iones de litio, presentan ciertas deficiencias en cuanto a seguridad, rendimiento del ciclo, retención de capacidad y otros aspectos. Para mejorar la estabilidad de los materiales de los electrodos positivos, los investigadores utilizan diferentes métodos de modificación, como el dopaje y el recubrimiento superficial, y dos métodos comunes.
¿Cómo mejora la alúmina el rendimiento del electrodo positivo?
El recubrimiento de alúmina sobre materiales de electrodos positivos puede mejorar eficazmente la estabilidad del ciclo, el ciclo de vida y la estabilidad térmica de dichos materiales. Los principales efectos del Al₂O₃ en los materiales de los electrodos positivos son:
(1) Eliminación de fluoruro de hidrógeno (HF)
El LiPF₆ es un electrolito de uso común en electrolitos. A alta tensión, el hexafluorofosfato de litio (LiPF₆) reacciona con trazas de agua para generar HF.
(2) Barrera de protección física
Recubrir con una capa de Al₂O₃ la superficie del material del electrodo positivo puede aislarlo del electrolito e inhibir la aparición de reacciones secundarias perjudiciales entre este y el electrolito.
(3) Mejora de la estabilidad térmica de los materiales de los electrodos positivos
La estabilidad térmica es uno de los factores clave para evaluar el rendimiento de las baterías de iones de litio. Durante el proceso de carga y descarga de las baterías de litio, la liberación de oxígeno reticular en el material del electrodo positivo provoca la oxidación del electrolito, lo que reduce su estabilidad térmica.
(4) Mejora de la velocidad de difusión de los iones de litio
Aunque el óxido de aluminio no es un buen conductor de electrones e iones, puede reaccionar con el litio residual en la superficie del material del electrodo positivo durante el proceso de carga y descarga para generar LiAlO₂, que es un buen conductor de iones y puede aumentar la velocidad de difusión de los iones de litio. Esto se debe principalmente a que el LiAlO₂ reduce la barrera energética de difusión de los iones de litio.
(5) Reacción con LiPF₆ para generar el aditivo electrolítico LiPO₂F₆
El óxido de aluminio que recubre la superficie del material del electrodo positivo puede reaccionar con la sal de litio (LiPF₆) del electrolito para generar difluorofosfato de litio (LiPO₂F₆), un aditivo electrolítico estable que puede mejorar significativamente la estabilidad del ciclo, la seguridad y el rendimiento del material del electrodo positivo.
(6) Inhibición del efecto Jahn-Teller
El efecto Jahn-Teller es la principal causa de la disolución de iones de Mn en el material del electrodo positivo, lo que puede provocar el colapso de su estructura y dificultar la difusión de iones de litio, lo que reduce su rendimiento electroquímico.
Cinco tecnologías principales de recubrimiento
Método de impregnación: Añadir el material del electrodo positivo a la solución o sol que contiene el precursor de aluminio para formar una suspensión uniforme. Posteriormente, secar y calcinar para formar un material de electrodo positivo recubierto de alúmina.
Método de precipitación: Mezclar uniformemente el material del electrodo positivo con una solución como nitrato de aluminio o cloruro de aluminio. Ajustar el pH de la solución para formar una capa de recubrimiento sobre la superficie del material del electrodo positivo y, finalmente, generar un material de electrodo positivo recubierto de alúmina mediante filtración, lavado, secado y tratamiento térmico.
Proceso de recubrimiento en seco: La alúmina y los materiales del electrodo positivo se pueden mezclar directamente para formar una capa de recubrimiento rugosa sobre la superficie del material del electrodo positivo. Aunque no se puede lograr un recubrimiento uniforme sobre la superficie del material del electrodo positivo, este tiene un efecto positivo en la mejora del rendimiento electroquímico de dicho material.
Método de pulverización catódica: Este método utiliza iones Ar+ para bombardear el material objetivo (Al), de modo que los átomos de Al se pulverizan y se depositan sobre la superficie del material del electrodo positivo.
Tecnología de deposición de capas atómicas (ALD): Utilizando trimetilaluminio y otros materiales como fuente de aluminio, se recubre la superficie del material del electrodo positivo con óxido de aluminio. El espesor se puede controlar con precisión, y el aumento del espesor del recubrimiento se logra incrementando el número de ciclos de ALD.