Cátodo de batería con microestructura alineada verticalmente fabricado por plantilla de hielo direccional

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Ingeniería Química

Sus antecedentes:

• El recubrimiento convencional de suspensión (SC) para los electrodos de la batería da como resultado microestructuras aleatorias con poros tortuosos, lo que dificulta la difusión de iones de litio y limita la capacidad a altas tasas de descarga.
• El uso de disolventes orgánicos tóxicos y combustibles como la N-metil-2-pirrolidona en el procesamiento de SC plantea preocupaciones medioambientales y de seguridad.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un nuevo método de plantilla de hielo direccional (DIT) para la fabricación de cátodos LiNi$_{0.8}$Mn$_{0.1}$Co$_{0.1}$O$_{2}$ (NMC811).
• Para crear electrodos con láminas y canales de poros alineados verticalmente para mejorar el transporte de iones y electrones.
• Para permitir un procesamiento acuoso más sostenible de los electrodos de la batería.

Principales métodos:

• La plantilla de hielo direccional (DIT) utiliza estructuras de hielo evolucionadas in situ para formar microestructuras anisotrópicas.
• Se emplearon técnicas sensibles a la superficie, incluida la espectrometría de masa de iones secundarios de tiempo de vuelo, la microscopía electrónica de transmisión y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.
• Caracterización del rendimiento del electrodo, incluida la capacidad de superficie y la velocidad de descarga.

Principales resultados:

• DIT creó con éxito cátodos NMC811 con estructuras alineadas verticalmente, duplicando la carga de masa del electrodo.
• El cátodo DIT exhibió capacidades de área significativamente más altas (12 mAh cm−2) en comparación con los electrodos SC (7,0 mAh cm−2) a 1,4 mA cm−2.
• A una densidad de corriente más alta de 5,7 mA cm-2, los cátodos DIT mantuvieron capacidades superiores (9,8 mAh cm-2 y 186 mAh g-1) sobre los electrodos SC (2,1 mAh cm-2 y 64 mAh g-1).

Conclusiones:

• La plantilla de hielo direccional (DIT) supera efectivamente la compensación entre la alta densidad de energía y la descarga rápida en los cátodos NMC811.
• DIT facilita el transporte dual de electrones e iones más rápido a través de estructuras alineadas verticalmente.
• Este método ofrece una vía hacia una fabricación de electrodos de batería más sostenible y eficiente, eliminando potencialmente los disolventes orgánicos peligrosos.