Un equipo de científicos, dirigido por el profesor Liu Zhaoping, del Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales de Ningbo (NIMTE) de la Academia China de Ciencias, en colaboración con investigadores de la Universidad de Chicago y otras instituciones, ha desarrollado materiales de expansión térmica cero (ZTE). Esta innovación ha logrado una recuperación de voltaje de casi el 100 % en baterías de iones de litio (LIB) envejecidas, como se detalla en un estudio publicado en Nature .
Las baterías de ion de litio (LIB) se han vuelto cada vez más esenciales en los mercados de vehículos y aeronaves eléctricos. Los materiales de cátodo de óxido laminar ricos en litio pueden ofrecer capacidades récord superiores a los 300 mAh/g, gracias a la revolucionaria química redox-oxígeno (OR). Sin embargo, presentan una inestabilidad operativa. La actividad de OR, que aumenta la densidad energética en un 30 %, también desencadena distorsión reticular asimétrica y caída de voltaje, lo que acelera el envejecimiento de la batería.
La expansión térmica es un fenómeno común en la naturaleza. A menudo provoca desorden estructural o pérdida de precisión, lo que finalmente compromete el rendimiento del material. Los investigadores del NIMTE descubrieron un comportamiento de expansión térmica negativa (NTE) en materiales de cátodos de óxido laminar ricos en litio, que se contraen al calentarse en un rango de temperatura de 150 a 250 °C. Este comportamiento inusual, contrario a las expectativas termodinámicas convencionales, puede atribuirse a transiciones de desorden a orden impulsadas térmicamente.
Al considerar el desorden estructural como un parámetro ajustable en lugar de un defecto, los investigadores revelaron una correlación entre la actividad de OR y los coeficientes NTE.
“Al ajustar la actividad OR reversible, el coeficiente de expansión térmica se puede cambiar con precisión entre estados positivo, cero y negativo”, explicó QIU Bao, autor principal del estudio.
El equipo estableció un sólido marco predictivo, lo que permitió la creación del primer cátodo ZTE del mundo mediante un ajuste preciso de OR. Estos materiales ZTE contrarrestan eficazmente la expansión térmica, mejorando la estabilidad estructural y la durabilidad.
Al someterla a pulsos de voltaje de 4,0 V, se reconstruyó la estructura reticular, logrando una recuperación de voltaje cercana al 100 %. Este hallazgo sugiere que los sistemas de carga inteligente podrían restaurar materiales de estados desordenados a estados ordenados in situ mediante métodos electroquímicos, lo que podría duplicar la vida útil de la batería.
Además de rejuvenecer baterías antiguas y dejar los vehículos eléctricos como nuevos, este avance abre nuevas fronteras en la ingeniería de materiales de ZTE. El estudio también arroja luz sobre el diseño de la función de autorreparación de dispositivos de alto rendimiento.
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