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Las baterías de iones de litio (Li-ion), baterías que pueden almacenar energía mediante la reducción reversible de los iones de litio, se encuentran entre las tecnologías de baterías más extendidas debido a su notable rendimiento y ciclo de vida prolongado. Estas baterías ahora alimentan muchas tecnologías existentes y emergentes, incluidos teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y vehículos eléctricos.
A pesar de sus ventajas, las baterías de iones de litio son cada vez más caras porque contienen materiales muy demandados y difíciles de obtener en grandes cantidades, como el cobalto (Co) y el níquel (Ni). Por lo tanto, los fabricantes de baterías y los expertos en energía están tratando de encontrar diseños alternativos que requieran poco o nada de cobalto y níquel, ya que podrían reducir el costo de las baterías de iones de litio y facilitar su producción a gran escala.
Investigadores de la Universidad de California Irvine y otros institutos en los Estados Unidos introdujeron recientemente una nueva estrategia para crear cátodos sin cobalto para baterías de iones de litio que no afecten negativamente el rendimiento de la batería. Su estudio, descrito en La energía de la naturalezafue financiado por la Oficina de Tecnología de Vehículos del Departamento de Energía de EE. UU.
“Nuestro proyecto comenzó en 2018 y finalizó en marzo de 2023”, dijo Tech Xplore Huolin Xin, uno de los investigadores que realizó el estudio. “Cuando comenzamos nuestra investigación, toda la industria estaba trabajando en un cátodo de Ni ultra alto para reemplazar o reducir el consumo de Co. En 2019, ya tenía en mente el problema del Ni, que se convirtió en otro problema para la industria de los vehículos eléctricos, ya que descubrí que el precio del Ni ya había aumentado a un tercio del precio del Co. Durante la reunión informativa del proyecto en el A fines de 2019, en nombre de mi equipo, hice varias resoluciones de Año Nuevo, una de las cuales fue crear un cátodo libre de Co, bajo en Ni, alto en Mn para superar el punto de dolor de Ni.
En 2020, Xin y sus colegas desarrollaron una nueva estrategia para lograr una tensión cero en un material activo catódico (CAM) con alto contenido de Ni (Ni-80 %). Su estrategia se basa en dopaje de concentración compleja, es decir, una técnica para cambiar las propiedades de los materiales utilizando sustancias químicas específicas (las llamadas mezclas).
“Después de que este estudio previo fuera publicado en NaturalezaLe dije a mi equipo que deberíamos probar esta estrategia para hacer Ni CAM bajo”, explicó Xin. LEVA.
La estrategia de dopaje del complejo de concentración propuesta por Xin y sus colegas tiene varias ventajas significativas. Se ha encontrado que mezclando con baja concentración de cationes, es posible obtener una alta capacidad de 190 mAh/g a C/10 y una alta energía específica de 700 wh/kg a C/3 en los materiales del cátodo, como así como alta estabilidad térmica y largos ciclos de vida de la batería.
“Nuestra estrategia propuesta es barata porque no contiene cobalto, el contenido de Ni se reduce en un 50% y el Mn, el material principal que usamos, es barato”, dijo Xin. “Hemos demostrado una mezcla de cationes bajos que desbloquea alta capacidad (190 mAh/g a C/10) y alta energía específica (700 wh/kg a C/3), alta estabilidad térmica superior a NMC-532 y ciclo de vida prolongado que alcanza >4000 ciclos lo que lo hace competitivo con las celdas LFP.
A diferencia de otras estrategias propuestas para reducir la dependencia de las baterías de iones de litio de Co y Ni, el enfoque presentado por Xin y sus colegas no requiere el recubrimiento de la superficie de los materiales. Esto facilita el despliegue a gran escala.
En las pruebas iniciales, los cátodos libres de Co desarrollados de acuerdo con la estrategia del equipo funcionaron excepcionalmente bien, lo que permitió la producción de baterías de iones de litio estables y eficientes con un ciclo de vida prolongado. En el futuro, podría usarse para crear baterías de iones de litio más asequibles para una amplia gama de aplicaciones, al tiempo que podría inspirar enfoques de dopaje similares para crear baterías sin cobalto.
“Ahora estamos trabajando en CAM de próxima generación que tienen un contenido de Ni/Co aún más bajo, lo que nuevamente reducirá el costo de los materiales CAM”, agregó Xin.
Más información:
Rui Zhang et al., Baterías de iones de litio de larga duración gracias a la química de cátodos con bajo contenido de Ni y libre de Co, La energía de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01267-y
Rui Zhang et al., Dopaje composicionalmente complejo para cátodos con capas de cobalto y tensión cero, Naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05115-z
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