Desentrañando los mecanismos de evolución de gases en materiales de electrodos de baterías

Área de la Ciencia:

• Ciencia de Materiales
• Electroquímica
• Almacenamiento de Energía

Sus antecedentes:

• El fosfato de hierro y manganeso y litio (LiFe_xMn_1-xPO₄) ofrece mayor seguridad, densidad de potencia y menor costo en baterías.
• La evolución de gases en estas baterías dificulta la ciclablidad y presenta riesgos de seguridad.
• Comprender los mecanismos de evolución de gases es crucial para la mejora del material.

Objetivo del estudio:

• Investigar los mecanismos de evolución de gases en celdas completas de LiFe_xMn_1-xPO₄-grafito.
• Cuantificar la producción de gas tanto del electrodo positivo como del negativo.
• Desarrollar estrategias para mitigar la evolución de gases y mejorar el rendimiento de la batería.

Principales métodos:

• Cuantificación y sondeo simultáneos de la evolución de gases de los electrodos positivo y negativo en una celda completa de LiFe_xMn_1-xPO₄-grafito.
• Análisis de la composición del gas, identificando el CO₂ y el H₂ como componentes principales.
• Desarrollo y prueba de LiFe_xMn_1-xPO₄ con un recubrimiento denso de capa de carbono.

Principales resultados:

• Más del 90% del gas evolucionado fue CO₂ e H₂.
• El CO₂ se originó a partir de LiFe_xMn_1-xPO₄ a través de reacciones secundarias electroquímicas y químicas.
• El H₂ provino de las reacciones de la interfaz de electrolito sólido del grafito, vinculadas a la disolución de iones de Mn/Fe.
• El LiFe_xMn_1-xPO₄ recubierto de carbono redujo la disolución de iones metálicos en diez veces y minimizó las reacciones secundarias.
• Una celda de bolsa de 4,1 Ah logró más de 540 ciclos con una retención de capacidad >90%.

Conclusiones:

• Se identificaron las principales vías de evolución de gases (CO₂ de LiFe_xMn_1-xPO₄, H₂ de grafito) y sus orígenes.
• Se demostró que un recubrimiento denso de carbono suprime eficazmente la disolución de iones metálicos y las reacciones secundarias.
• Se logró una mejora significativa en la estabilidad de ciclado y el rendimiento en un formato de celda de batería práctica.