Cátodos sin cobalto para mejorar las baterías de ion litio

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge han desarrollado una nueva familia de cátodos con el potencial de reemplazar los costosos cátodos con base de cobalto que se encuentran habitualmente en las actuales baterías de iones de litio que alimentan los vehículos eléctricos y los aparatos electrónicos de consumo.

La nueva clase, llamada NFA, que significa cátodo a base de níquel, hierro y aluminio, es un derivado del níquelato de litio y puede utilizarse para fabricar el electrodo positivo de una batería de iones de litio. Estos novedosos cátodos están diseñados para ser de carga rápida, densos en energía, rentables y de mayor duración.

Con el aumento de la producción de electrónica portátil y vehículos eléctricos en todo el mundo, las baterías de iones de litio tienen una gran demanda. Según Ilias Belharouak, científico de la ORNL que dirige la investigación y el desarrollo de la NFA, se prevé que para 2030 habrá más de 100 millones de vehículos eléctricos en las carreteras. El cobalto es un metal que actualmente se necesita para el cátodo y que constituye la parte significativa del costo de una batería de iones de litio.

El cobalto es raro y se extrae en gran parte en el extranjero, lo que dificulta la adquisición y producción de cátodos. Por ello, encontrar un material alternativo al cobalto que pueda fabricarse de manera rentable se ha convertido en una prioridad de investigación de las futuras baterías de iones de litio.

Los científicos del ORNL comprobaron el rendimiento de la clase de cátodos NFA y determinaron que son sustitutos prometedores de los cátodos a base de cobalto, como se describe en las revistas Advanced Materials y Journal of Power Sources. Los investigadores utilizaron difracción de neutrones, espectroscopia de Mossbauer y otras técnicas avanzadas de caracterización para investigar las microestructuras y las estructuras atómicas de la NFA, así como las propiedades electroquímicas.

Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge han desarrollado una nueva clase de cátodos libres de cobalto llamados NFA que están siendo investigados para hacer baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. (Foto: Andy Sproles/ORNL, U.S. Dept. of Energy)

"Nuestras investigaciones sobre el comportamiento de carga y descarga de la NFA mostraron que estos cátodos experimentan reacciones electroquímicas similares a las de los cátodos con base de cobalto y ofrecen capacidades específicas suficientemente altas para satisfacer las demandas de densidad de energía de la batería", dijo Belharouak.

Aunque la investigación sobre la clase NFA está en sus primeras etapas, Belharouak dijo que los resultados preliminares de su equipo hasta la fecha indican que el cobalto podría no ser necesario para la próxima generación de baterías de iones de litio.

"Estamos desarrollando un cátodo que tiene características electroquímicas similares o mejores que los cátodos con base de cobalto, utilizando al mismo tiempo materias primas de menor costo", dijo.

Belharouak añadió que no solo la clase NFA funciona tan bien como los cátodos con base de cobalto, sino que el proceso de fabricación de los cátodos NFA puede integrarse en los procesos existentes de fabricación de cátodos a nivel mundial.

"El níquelato de litio ha sido investigado durante mucho tiempo como material de elección para hacer cátodos, pero sufre de inestabilidades estructurales y electroquímicas intrínsecas", dijo. "En nuestra investigación, reemplazamos parte del níquel con hierro y aluminio para mejorar la estabilidad del cátodo. El hierro y el aluminio son materiales rentables, sostenibles y respetuosos con el medio ambiente".

La futura investigación y desarrollo de la clase NFA incluirá probar los materiales en celdas de gran formato para validar los resultados a escala de laboratorio y explorar más a fondo la idoneidad de estos cátodos para su uso en vehículos eléctricos. (Fuente: NCYT Amazings)