Investigadores de la Universidad de California han diseñado una forma de fabricar cátodos para baterías de iones de litio sin utilizar cobalto, un mineral plagado de volatilidad de precios y complicaciones geopolíticas.
Los científicos describen cómo superaron las inestabilidades térmicas y químico-mecánicas de los cátodos compuestos sustancialmente de níquel, un sustituto común del cobalto, mediante la mezcla de otros elementos metálicos.
Mediante una técnica que denominamos «dopaje de alta entropía«, hemos conseguido fabricar un cátodo de capas sin cobalto con una tolerancia al calor y una estabilidad extremadamente elevadas a lo largo de repetidos ciclos de carga y descarga. Este logro resuelve los antiguos problemas de seguridad y estabilidad en torno a los materiales de las baterías con alto contenido de níquel, lo que allana el camino para una amplia gama de aplicaciones comerciales.
Huolin Xin, profesor de física y astronomía de la UCI.
El cobalto es uno de los riesgos más importantes de la cadena de suministro que amenaza la adopción generalizada de coches eléctricos, camiones y otros dispositivos electrónicos que requieren baterías, según los autores del artículo. Este mineral, químicamente adecuado para estabilizar los cátodos de las baterías de iones de litio, se extrae casi exclusivamente en la República Democrática del Congo en condiciones abusivas e inhumanas.
Los fabricantes de vehículos eléctricos están deseando reducir el uso de cobalto en sus baterías no sólo para reducir costes, sino para contrarrestar las prácticas de trabajo infantil que se utilizan para extraer el mineral. Las investigaciones también han demostrado que el cobalto puede provocar la liberación de oxígeno a alto voltaje, lo que provoca daños en las baterías de iones de litio. Todo esto apunta a la necesidad de alternativas.
Huolin Xin
Sin embargo, los cátodos basados en el níquel tienen sus propios problemas, como la escasa tolerancia al calor, que puede provocar la oxidación de los materiales de la batería, el desbordamiento térmico e incluso la explosión.
Aunque los cátodos con alto contenido en níquel permiten una mayor capacidad, la tensión de volumen derivada de las repetidas expansiones y contracciones puede dar lugar a una escasa estabilidad y a problemas de seguridad.
Los investigadores trataron de resolver estos problemas mediante el dopaje de alta entropía, de composición compleja, utilizando HE-LMNO, una amalgama de metales de transición como el magnesio, el titanio, el manganeso, el molibdeno y el niobio en el interior de la estructura, con un subconjunto de estos minerales utilizados en su superficie y en la interfaz con otros materiales de la batería.
Xin y sus colegas emplearon un conjunto de instrumentos de difracción de rayos X de sincrotrón, microscopía electrónica de transmisión y nanotomografía 3D para determinar que su cátodo de cobalto cero presentaba un cambio volumétrico sin precedentes durante su uso repetido. La estructura altamente estable es capaz de soportar más de 1.000 ciclos y altas temperaturas, lo que la hace comparable a cátodos con un contenido de níquel mucho menor.
Utilizando herramientas avanzadas, hemos podido observar el aumento espectacular de la estabilidad térmica y las características de cambio volumétrico nulo del cátodo, y hemos podido demostrar una mejora extraordinaria de la retención de la capacidad y la vida útil del ciclo. Esta investigación podría sentar las bases para el desarrollo de una alternativa de alta densidad energética a las baterías actuales.
Huolin Xin
Dijo que el trabajo representa un paso hacia la consecución del doble objetivo de impulsar la proliferación del transporte limpio y el almacenamiento de energía, al tiempo que se abordan los problemas de justicia ambiental en torno a la extracción de los minerales utilizados en las baterías.
Vía uci.edu
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