Echipa condusă de PNNL arată că sublimarea Li2O amestecată cu precursori bogați în nichel ar putea scădea costul de producție a bateriilor

O echipă condusă de cercetători de la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a arătat că vaporii de la sublimarea oxidului de litiu (Li2O ₎ accelerează o reacție chimică care formează cristale simple atunci când sunt amestecate cu precursori bogati în nichel. Sublimarea are loc la o singură atmosferă de presiune. Se crede că materialele bateriilor cu un singur cristal ajută bateriile să dureze mai mult.

O lucrare cu acces deschis despre munca lor este publicată în Nature Energy .

Descoperirea oferă o modalitate potențial mai rapidă, mai eficientă și mai ieftină de a extinde producția de baterii litiu-ion bogate în nichel.

—Jie Xiao, autor corespondent

 

Bateriile convenționale cu litiu-ion sunt limitate de cost și de cantitatea de energie pe care o pot păstra, a spus Xiao. Pentru a reduce costul, nichelul și manganul mai ieftine sunt adesea amestecate cu cobalt în materialul bateriei. Nichelul poate stoca mai multă energie decât cobaltul, astfel încât creșterea cantității de nichel dintr-o baterie litiu-ion face ca materialele să fie mai rentabile. Nichelul poate ajuta, de asemenea, la reducerea costurilor de extindere a producției de catozi.

Cu toate acestea, lucrul cu nichel reprezintă încă o provocare, a spus Xiao. Materialul catod de litiu bogat în nichel tinde să se formeze ca aglomerări cunoscute sub numele de „policristale”. Granițele dintre cristale devin mai slabe pe măsură ce bateria se descarcă și se încarcă. În timp, aceste slăbiciuni duc la crăpare, care degradează bateria și îi scurtează durata de viață.

Catozii cu un singur cristal nu au vulnerabilitățile care apar din structurile policristale. Așadar, sperăm că monocristalele vor atenua și în cele din urmă vor elimina toate provocările mari ale materialelor catodice bogate în nichel.

— Jie Xiao

 

În ultimii ani, echipa lui Xiao a explorat diferite săruri de litiu furnizate de partenerul industrial Albemarle Corporation. Amestecarea acestor ingrediente de sare, sau precursori, cu precursori bogati in nichel produce material catod. Una dintre cele mai comune metode de producție este topirea sării de litiu, care reacţionează apoi cu precursorul bogat în nichel. Pentru acest proces, cercetătorii au preferat hidroxidul de litiu (LiOH) deoarece are un punct de topire scăzut.

În schimb, Li ₂ O are un punct de topire ridicat la 1.438 de grade Celsius, deci este rar folosit pentru sinteza materialului catodic. Dar când am experimentat cu Li ₂ O în laboratorul de sinteză a materialelor lui Xiao de la PNNL, sa întâmplat ceva surprinzător: la combinarea precursorului bogat în nichel cu Li _{2 O la temperaturi de aproximativ 900 de grade Celsius, s-a format ușor material catod monocristal.}

Xiao și colegii ei au apelat la partenerul lor din industrie Thermo Fisher Scientific, care a studiat reacția cu un instrument numit MicroReactor. Cu aceste observații și un experiment nou proiectat, echipa a reușit să dezvăluie cu succes fenomenul de sublimare. Noua cercetare confirmă că mecanismul este condus de sublimarea Li _{2 O.}

Vaporii pot pătrunde peste tot, chiar în porii sau suprafața celorlalți precursori și pot reacționa imediat. Cristalele simple se formează mult mai repede în prezența acelor vapori.

— Jie Xiao

 

Echipa a aplicat în continuare fenomenul de sublimare Li ₂ O pentru a converti policristalele uzate direct în cristale simple printr-un proces de amestecare și încălzire. Formarea cu succes a noilor monocristale arată că sarea de Li ₂ O simplifică considerabil procesul de reciclare a policristalelor uzate sau reziduale. În special pentru acele resturi de pe linia de producție, acestea pot fi rapid „refacete” în monocristale de înaltă performanță prin acest ingredient de sare, a spus Xiao.

Noile monocristale, fie din precursori proaspeți, fie din policristale uzate, au rezistat la 1.000 de cicluri de încărcare/descărcare.

Echipa are mai multă muncă de făcut înainte de a putea fi produse baterii, a spus Xiao. Deoarece Li ₂ O nu este utilizat pe scară largă pentru sinteza materialelor, costul de utilizare comercială este în prezent prea mare. Cu toate acestea, Xiao a remarcat că Li ₂ O este ușor produs prin prelucrarea altor săruri de litiu, cum ar fi LiOH.

Cu parteneri din industrie, Xiao și echipa ei lucrează acum pentru a extinde procesul cu costuri de producție mai mici. Echipa speră să ofere cristale unice partenerilor lor strategici în 2026.

Această lucrare a fost finanțată de Biroul pentru Materiale Avansate și Tehnologii de Fabricare și Biroul pentru Tehnologii pentru Vehicule din cadrul Biroului pentru Eficiență Energetică și Energie Regenerabilă al Departamentului de Energie.

Resurse

• Wu, B., Yi, R., Xu, Y. şi colab. Sublimarea neobișnuită de Li ₂ O promovează creșterea și sinterizarea monocristalului. Nat Energy (2025)