Un equipo de investigación liderado por Hailong Chen, del Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech), ha desarrollado un cátodo de bajo coste a base de cloruro de hierro para baterías de ion de litio, lo que podría reducir significativamente los costos y mejorar el rendimiento tanto de los vehículos eléctricos (VE) como de los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala.
Nuevo material de cátodo podría revolucionar el mercado de los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía
El equipo multiinstitucional dirigido por Chen ha presentado un nuevo cátodo de bajo costo que promete mejorar radicalmente las baterías de ion de litio (LIBs), lo cual podría transformar el mercado de los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía en gran escala. El nuevo material, el cloruro de hierro (FeCl₃), tiene un costo de apenas el 1-2% en comparación con los materiales de cátodo actuales, pero almacena la misma cantidad de energía. Esto se debe a que los materiales del cátodo influyen directamente en la capacidad, la energía y la eficiencia de la batería, lo que impacta en su rendimiento, vida útil y asequibilidad.
Chen señaló: “Hemos estado buscando alternativas más sostenibles y económicas para los materiales de cátodo actuales, y creo que lo hemos conseguido». Este avance, publicado en la revista Nature Sustainability, representa un hito importante para el futuro de las baterías.
Baterías de litio: Origen y evolución
Las baterías de ion de litio, comercializadas por primera vez por Sony en los años 90, revolucionaron el mercado de la electrónica personal, impulsando dispositivos como teléfonos inteligentes y tabletas. Con el tiempo, esta tecnología avanzó hasta convertirse en la fuente de energía principal de los vehículos eléctricos, gracias a su alta densidad energética y capacidad recargable. Sin embargo, el alto costo de producción ha sido una barrera importante, especialmente para aplicaciones a gran escala como los vehículos eléctricos.
Actualmente, las baterías representan aproximadamente el 50% del costo total de un vehículo eléctrico, lo que las hace considerablemente más caras que los automóviles con motores de combustión interna. Este nuevo cátodo desarrollado por Chen y su equipo podría cambiar esta situación.
Desarrollo de una batería mejorada
A diferencia de las baterías alcalinas y de plomo-ácido, las baterías de ion de litio almacenan más energía en un espacio reducido, lo que permite que los dispositivos funcionen durante más tiempo entre cargas. Sin embargo, los LIBs contienen metales caros, como el cobalto y el níquel, lo que incrementa considerablemente el costo de fabricación.
Hasta el momento, solo se han comercializado con éxito cuatro tipos de cátodos para baterías de ion de litio, y el material de Chen sería el quinto, representando un importante avance en la tecnología de baterías: el desarrollo de baterías totalmente de estado sólido.
Las baterías convencionales de ion de litio utilizan electrolitos líquidos para transportar los iones de litio que almacenan y liberan energía. Estas baterías tienen límites en la cantidad de energía que pueden almacenar y presentan riesgos de fugas y combustión. En cambio, las baterías de estado sólido, que emplean electrolitos sólidos, mejoran significativamente la eficiencia y seguridad, además de aumentar la capacidad de almacenamiento energético.
El equipo de Georgia Tech ha dado un paso importante hacia la viabilidad de esta tecnología con su cátodo de FeCl₃, un electrolito sólido y un ánodo de metal de litio. En conjunto, su batería sería entre un 30 y 40% más económica que las baterías de ion de litio actuales.
Este avance no solo podría reducir drásticamente los costos de los vehículos eléctricos, haciéndolos más competitivos frente a los automóviles de combustión interna, sino que también ofrece una nueva y prometedora opción para el almacenamiento de energía a gran escala, mejorando la resiliencia de la red eléctrica.
Sostenibilidad y abundancia de materiales
Uno de los principales beneficios del nuevo cátodo de FeCl₃ es su sostenibilidad. A diferencia de los cátodos utilizados actualmente, que dependen de grandes cantidades de metales costosos y contaminantes como el níquel y el cobalto, el cátodo de Chen está compuesto únicamente por hierro (Fe) y cloro (Cl), elementos abundantes y de bajo costo. Estos materiales se encuentran comúnmente en el acero y en la sal de mesa, lo que facilita su obtención y disminuye el impacto ambiental asociado con su extracción y procesamiento.
En las pruebas iniciales, el FeCl₃ ha demostrado un rendimiento igual o superior a los cátodos más caros. Por ejemplo, tiene un voltaje operativo más alto que el cátodo de fosfato de hierro y litio (LiFePO₄ o LFP), lo que se traduce en una mayor fuerza eléctrica disponible para alimentar dispositivos. Este avance podría estar a menos de cinco años de ser comercialmente viable para los vehículos eléctricos.
Futuras aplicaciones y colaboraciones
El equipo de investigación, que incluye a científicos de la Universidad de Houston, el Laboratorio Nacional Oak Ridge y otras instituciones, continuará investigando el FeCl₃ y materiales relacionados para perfeccionar la tecnología y explorar su escalabilidad para aplicaciones comerciales. Como explicó Chen: “Queremos perfeccionar los materiales en el laboratorio y entender los mecanismos subyacentes de su funcionamiento, pero estamos abiertos a oportunidades para llevar esta tecnología a una escala mayor y empujarla hacia las aplicaciones comerciales”.
Además del uso en vehículos eléctricos, este tipo de baterías podría jugar un papel crucial en el almacenamiento de energía para energías renovables como la solar y eólica. La capacidad de almacenar grandes cantidades de energía de forma económica y segura permitirá una mayor integración de fuentes de energía renovable en la red eléctrica, reduciendo la dependencia de combustibles fósiles y mejorando la sostenibilidad del sistema energético global.
El desarrollo de este nuevo cátodo de cloruro de hierro podría ser un punto de inflexión en el mercado de los vehículos eléctricos y en los sistemas de almacenamiento de energía. Su bajo costo, sostenibilidad y alto rendimiento lo posicionan como una solución prometedora para superar los desafíos actuales de las baterías de ion de litio. Con la creciente demanda de vehículos eléctricos y la necesidad de almacenar energías renovables, los avances en esta tecnología tienen el potencial de acelerar la transición hacia un futuro más ecológico y sostenible.
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