Agencias, Ciudad de México.- El óxido de litio y cobalto en capas, componente clave de las baterías de iones de litio, ha sido sintetizado a temperaturas tan bajas como 300 grados Celsius y en solo 30 minutos.
Las baterías de iones de litio (LIB) son el tipo de batería más utilizado en electrónica de consumo y vehículos eléctricos. El óxido de litio y cobalto (LiCoO2) es el compuesto utilizado para el cátodo en LIB para dispositivos electrónicos portátiles. Tradicionalmente, la síntesis de este compuesto requiere temperaturas superiores a 800 grados Celsius y tarda de 10 a 20 horas en completarse.
Cathode active materials for lithium-ion batteries could be produced at low temperatureshttps://t.co/uYUE8Z5xgz
— Mawya Israr (@MawyaIsrar) October 24, 2023
Un equipo de investigadores de la Universidad de Hokkaido y la Universidad de Kobe, dirigido por el profesor Masaki Matsui de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Hokkaido, ha desarrollado el nuevo método que simplifica el proceso, tal y como se publica en la revista Inorganic Chemistry.
“El óxido de litio y cobalto normalmente se puede sintetizar de dos formas”, explica Matsui en un comunicado. “Una forma es una estructura de sal de roca en capas, llamada fase de alta temperatura, y la otra forma es una estructura de espinela, llamada fase de baja temperatura. El LiCoO2 en capas se utiliza en baterías de iones de litio”.
Utilizando hidróxido de cobalto e hidróxido de litio como materiales de partida, con hidróxido de sodio o potasio como aditivo, el equipo llevó a cabo una serie de experimentos de alta precisión en diferentes condiciones para sintetizar cristales de LiCoO2 en capas. El proceso se denominó “proceso de hidroflujo”. También pudieron determinar la vía de reacción que condujo a la formación de cristales en capas.
A new synthetic process named the hydroflux method developed by @masaki_m_matsui & coworkers at Hokkaido University enables preparation of highly crystalline layered LiCoO2 at a low temperature of <300 °C within a short time. Learn all about it: https://t.co/L12PyiryPJ pic.twitter.com/kesY3nE2oW
— Inorganic Chemistry (@InorgChem) October 23, 2023
El estudio del mecanismo de reacción mostró un rápido crecimiento de los cristales de LiCoO2, lo que sugiere que el exceso de hidróxidos fundidos que contienen agua disuelven las especies de cobalto de HCoO2–. En consecuencia, la formación acelerada de LiCoO2 suprime la reacción competitiva de formación de Co3O4, lo que lleva a la formación de espinela LiCoO2 a bajas temperaturas.
“Al comprender la vía de reacción, pudimos identificar los factores que promovieron el crecimiento de cristales de LiCoO2 en capas”, dijo Matsui. “Específicamente, la presencia de moléculas de agua en los materiales de partida mejoró significativamente la cristalinidad del producto final”.
El equipo también midió las propiedades electroquímicas del LiCoO2 en capas, mostrando que eran sólo marginalmente inferiores a las del LiCoO2 disponible comercialmente sintetizado mediante el método tradicional de alta temperatura.
“Este trabajo es la primera demostración experimental de la estabilidad termoquímica del LiCoO2 en capas a bajas temperaturas bajo presión ambiente“, concluye Matsui. “Nuestro desarrollo de este proceso de hidroflujo permitirá medidas de ahorro de energía en varios procesos de producción de cerámica. Nuestros próximos pasos inmediatos serán la mejora del proceso de hidroflujo en función de nuestra comprensión de la vía de reacción”.
Por ello la formación acelerada de LiCoO2 suprime la reacción competitiva de formación de Co3O4, lo que lleva a la formación de espinela LiCoO2 a bajas temperaturas. El exceso de agua en los materiales de partida aceleró aún más el crecimiento de los cristales de LiCoO2, formando partículas grandes (>1 μm). Además, la capa de LiCoO2 comenzó a formarse a 150 °C.
Este estudio es la primera demostración experimental que demuestra la estabilidad termodinámica del LiCoO2 en capas a bajas temperaturas (150–300 °C) bajo presión ambiental. Este novedoso proceso ofrece importantes ahorros energéticos en el proceso de producción de LiCoO2 y otros materiales cerámicos.
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— Materials Design Inc (@MedeAsoftware) October 24, 2023
