Una nueva batería de iones de litio sin cobalto reduce los costos sin sacrificar el rendimiento

Durante décadas, los investigadores han buscado formas de eliminar el cobalto de las baterías de alta energía que alimentan los dispositivos electrónicos, debido a su alto costo y a las ramificaciones en materia de derechos humanos que implican su extracción minera. Pero los intentos anteriores no han estado a la altura de los estándares de rendimiento de las baterías con cobalto.

Unos investigadores de la Escuela de Ingeniería Cockrell de la Universidad de Texas en Austin dicen que han descifrado el misterio de obtener una batería de iones de litio de alta energía sin cobalto, eliminando este y abriendo la puerta a una reducción de los costes de producción de las baterías, al tiempo que se aumenta el rendimiento desde algunas puntos de vista. El equipo informó de una nueva clase de cátodos -el electrodo de una batería donde típicamente reside todo el cobalto- anclados por un alto contenido de níquel. El cátodo en su estudio es un 89% de níquel. El manganeso y el aluminio constituyen los otros elementos clave.

Más níquel en una batería significa que puede almacenar más energía. Ese aumento de la densidad de energía puede llevar a una mayor duración de la batería para un teléfono o una mayor autonomía para un vehículo eléctrico con cada carga.

Los resultaron aparecieron en la revista Advanced Materials. El artículo fue escrito por Arumugam Manthiram, un profesor del Departamento Walker de Ingeniería Mecánica y director del Instituto de Materiales de Texas, el estudiante de doctorado Steven Lee y la graduada en doctorado Wangda Li.

Estas muestras de polvo serán fabricadas para convertirse en cátodos libres de cobalto. (Foto: The University of Texas at Austin)

Típicamente, un aumento de la densidad de energía lleva también a una ciclo de vida más corta (el número de veces que una batería puede ser cargada y descargada antes de que pierda eficiencia y ya no pueda ser cargada completamente). La eliminación del cobalto normalmente ralentiza la respuesta cinética de una batería y conduce a una menor rapidez con la que el cátodo puede ser cargado o descargado. Sin embargo, los investigadores dijeron que han superado los problemas de un ciclo de vida corto y de capacidad de carga/descarga pobre a través de la búsqueda de una combinación óptima de metales y asegurando una distribución uniforme de sus iones.

La mayoría de los cátodos para las baterías de iones de litio utilizan combinaciones de iones metálicos, como el níquel-manganeso-cobalto (NMC) o el níquel-cobalto-aluminio (NCA). Los cátodos pueden suponer aproximadamente la mitad de los costes materiales de toda la batería, siendo el cobalto el elemento más caro. A un precio aproximado de 28.500 dólares por tonelada, es más caro que el níquel, el manganeso y el aluminio combinados, y constituye entre el 10% y el 30% de la mayoría de los cátodos de las baterías de iones de litio.

"El cobalto es el componente menos abundante y más caro de los cátodos de batería", dijo Manthiram. "Y lo estamos eliminando completamente".

La clave del avance de los investigadores se encuentra a nivel atómico. Durante la síntesis, fueron capaces de asegurar que los iones de los diversos metales permanecieran distribuidos uniformemente a través de la estructura cristalina del cátodo. Cuando estos iones se agrupan, el rendimiento se degrada, y ese problema ha plagado a las anteriores baterías de alta energía sin cobalto, dijo Manthiram. Al mantener los iones distribuidos uniformemente, los investigadores pudieron evitar la pérdida de rendimiento.

"Nuestro objetivo es utilizar solo metales abundantes y asequibles para sustituir el cobalto y mantener al mismo tiempo el rendimiento y la seguridad", dijo Li, "y aprovechar los procesos de síntesis industrial".

Manthiram, Li y el ex investigador postdoctoral Evan Erickson trabajaron con la Oficina de Comercialización de Tecnología de la UT para formar una nueva empresa llamada TexPower para llevar la tecnología al mercado. Los investigadores han recibido subvenciones del Departamento de Energía de los Estados Unidos, que ha tratado de reducir la dependencia de las importaciones de materiales esenciales para baterías.

La industria ha dado un salto en el impulso hacia la ausencia de cobalto, en particular el de Tesla para eliminar el material de las baterías que alimentan sus vehículos eléctricos. Con grandes organizaciones gubernamentales y empresas privadas centradas en la reducción de la dependencia del cobalto, no es sorprendente que esta búsqueda se haya vuelto competitiva. Los investigadores dijeron que han evitado problemas que obstaculizaban otros intentos de baterías de alta energía sin cobalto con innovaciones en la combinación correcta de materiales y el control preciso de su distribución.

"Estamos aumentando la densidad de energía y reduciendo el coste sin sacrificar el ciclo de vida útil", dijo Manthiram. "Esto significa mayores distancias de conducción para los vehículos eléctricos y una mejor duración de la batería para los ordenadores portátiles y los teléfonos móviles". (Fuente: NCYT Amazings)