El Laboratorio Nacional Argonne ha desarrollado un diseño avanzado para cátodos de baterías de iones de litio que optimiza el rendimiento, estabilidad y reduce costos, promoviendo la adopción de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía en red.
Argonne impulsa el diseño de cátodos para baterías de iones de litio
Un avance en diseño dual para mejorar las baterías
El Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) ha desarrollado un diseño innovador que optimiza el rendimiento y reduce los costos de las baterías de iones de litio. Este diseño podría acelerar la adopción de vehículos eléctricos (EVs) y sistemas de almacenamiento en red, siendo clave para los esfuerzos de descarbonización global.
Un diseño de gradiente dual
En 2012, el equipo de investigación de Argonne marcó un hito en las baterías de iones de litio al presentar un material de cátodo novedoso que aumentó significativamente la densidad energética y la durabilidad. Este avance fue posible al ajustar la composición de níquel, manganeso y cobalto en las partículas del cátodo, logrando optimizar las propiedades de estos metales.
La clave del diseño está en la configuración de «gradiente de composición», donde la concentración de níquel disminuye progresivamente desde el núcleo hasta la superficie de la partícula. Este enfoque permite mantener una alta densidad energética para operaciones a voltajes elevados, al mismo tiempo que se minimiza la reactividad. Este avance tiene implicaciones en la fabricación de baterías más compactas y económicas, beneficiando la adopción masiva de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento en red.
Las partículas de cátodo en este diseño poseen una estructura en capas, característica común en las baterías comerciales actuales. Las capas ordenadas de átomos metálicos crean canales que facilitan el transporte de iones de litio entre los electrodos, lo cual es fundamental para el proceso de carga y descarga de la batería.
Mejora para altos voltajes y mayor seguridad
Para que los EVs puedan sustituir a los vehículos de combustibles fósiles a nivel global, es necesario que las baterías operen a voltajes más altos sin comprometer su seguridad ni su durabilidad. Las operaciones de alto voltaje suelen inducir fisuras en las partículas del cátodo y aumentar la reactividad con el electrolito, lo cual degrada la capacidad de la batería y acorta su vida útil. El equipo de Argonne resolvió este problema introduciendo un diseño de «gradiente dual» en el cual la estructura del material transita gradualmente de un estado desordenado en la superficie a uno ordenado en el núcleo.
Este nuevo diseño mantiene el gradiente de concentración de níquel, manganeso y cobalto, pero con una diferencia clave: la superficie está enriquecida con cobalto mientras que el interior tiene una cantidad mínima de este metal. Esto permite combinar las mejores características de distintas composiciones y estructuras en una sola partícula: la superficie desordenada reduce las fisuras y la reactividad, mientras que el núcleo ordenado maximiza el transporte de iones.
Demostración de «super-partículas»
El equipo realizó una serie de experimentos avanzados utilizando rayos X, electrones e imágenes para caracterizar el nuevo material de cátodo tanto en reposo como en operación. Estos análisis, realizados en instalaciones de última generación como el Advanced Photon Source, confirmaron que las partículas de cátodo fabricadas mantenían su estabilidad estructural y química incluso durante operaciones a voltajes elevados.
Los resultados mostraron que la superficie desordenada de las partículas es prácticamente indestructible y presenta una mínima reactividad o tensión estructural. Además, tras 500 ciclos de carga y descarga, el material perdió solo alrededor del 2% de su capacidad de almacenamiento, indicando una vida útil potencialmente larga para la batería.
Reducción del uso de cobalto
La cantidad total de cobalto en este diseño de cátodo se ha reducido drásticamente, lo cual es significativo, ya que el cobalto es un material costoso y su extracción puede tener impactos ambientales adversos. En el nuevo diseño, la concentración de cobalto en el interior de las partículas es inferior al 2%, mientras que en el diseño original era del 10-20%. Esta reducción no solo implica menores costos de producción, sino que también ayuda a hacer las baterías más sostenibles. El equipo planea reducir aún más este nivel de cobalto a un 1%, incrementando así el valor ecológico del diseño.
Material listo para licenciamiento y nuevas investigaciones
Este estudio marca la primera vez que se combinan gradientes de composición y estructura en una sola partícula de cátodo, abriendo camino a nuevas investigaciones que busquen integrar diferentes estructuras y composiciones para mejorar el rendimiento de las baterías. Este avance materializa una mejora integral en la tecnología de baterías al combinar una mayor capacidad de almacenamiento, estabilidad robusta y tolerancia al calor a voltajes elevados.
El diseño, patentado y listo para su licenciamiento, representa un paso adelante hacia una adopción masiva de vehículos eléctricos y baterías de almacenamiento en red, alineado con los objetivos de sostenibilidad y eficiencia energética.
Vía www.anl.gov
Rodrigo dice
confio en el conocimiento, innovacion, desarrollo e ingeniera de los EEUU ellos siempre perfeccionan las cosas y no como china que para robando tecnologia y copiando tecnologia de EEUU a traves de empresas conjuntas donde el ingeniero Estadounidense da conocimiento y tecnologia al ingeniero chino y no solo los Estadounidenses tambien los europeos y japoneses y coreanos los chinos se la llevan facil