Investigadores de la Universidad de Tokio presentan una alternativa superior y sin cobalto a las baterías de iones de litio, que ofrece un rendimiento y una longevidad mejorados, con aplicaciones potenciales en diversos procesos electroquímicos.
Reemplazar el cobalto en las baterías evita sus impactos ambientales y sociales.
Las baterías recargables confiables y de alta capacidad son un componente crítico de muchos dispositivos e incluso del transporte. Desempeñan un papel fundamental para avanzar hacia un mundo más verde. En su producción se utiliza una amplia variedad de elementos, incluido el cobalto, cuya producción contribuye a algunos problemas ambientales, económicos y sociales. Por primera vez, un equipo que incluye investigadores de la Universidad de Tokio presenta una alternativa viable al cobalto que, en algunos aspectos, podría superar la química de baterías de última generación. También sobrevive a una gran cantidad de ciclos de recarga y la teoría subyacente se puede aplicar a otros problemas.
La ubicuidad y los desafíos de los LIB
Probablemente estés leyendo este artículo en una computadora portátil o un teléfono inteligente y, si no, probablemente tengas al menos uno de ellos. Dentro de cualquiera de los dispositivos, y de muchos otros, encontrará una batería de iones de litio (LIB). Durante décadas, los LIB han sido la forma estándar de alimentar máquinas y dispositivos electrónicos portátiles o móviles.
A medida que el mundo se aleja de los combustibles fósiles, estos se consideran un paso importante hacia su uso en automóviles eléctricos y baterías domésticas para aquellos con paneles solares. Pero así como las baterías tienen un extremo positivo y un extremo negativo, las LIB tienen aspectos negativos en comparación con los positivos.
Al sustituir el problemático y escaso cobalto por elementos más seguros y abundantes, los investigadores alivian algunos problemas de las baterías actuales. Como ventaja adicional, la nueva química de la batería conduce a una mayor densidad de energía para un peso y volumen de batería equivalente, lo que podría resultar muy útil en aplicaciones como los coches eléctricos. Crédito: ©2023 Yamada et al. CC-BY-ND
Por un lado, aunque son algunas de las fuentes de energía portátiles con mayor densidad de energía disponibles, muchas personas desearían que las LIB pudieran producir una mayor densidad de energía para que duren más o alimenten máquinas aún más exigentes. Además, pueden sobrevivir a una gran cantidad de ciclos de recarga, pero también se degradan con el tiempo; Sería mejor para todos si las baterías pudieran sobrevivir a más ciclos de recarga y mantener sus capacidades durante más tiempo. Pero quizás el problema más alarmante de las LIB actuales resida en uno de los elementos utilizados para su construcción.
El dilema del cobalto
El cobalto se utiliza mucho en una parte fundamental de las LIB, los electrodos. Todas las baterías funcionan de manera similar: dos electrodos, uno positivo y otro negativo, promueven el flujo de iones de litio entre ellos en lo que se llama electrolito cuando se conectan a un circuito externo. El cobalto, sin embargo, es un elemento raro; Tan raro que actualmente sólo existe una fuente principal: una serie de minas ubicadas en la República Democrática del Congo. A lo largo de los años se han informado muchas cuestiones sobre las consecuencias ambientales de estas minas, así como sobre las condiciones de trabajo allí, incluido el uso de mano de obra infantil. También desde el punto de vista del suministro, la fuente de cobalto es un problema debido a la inestabilidad política y económica en la región.
«Hay muchas razones por las que queremos abandonar el uso de cobalto para mejorar las baterías de iones de litio», afirmó el profesor Atsuo Yamada del Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos. “Para nosotros el desafío es técnico, pero su impacto puede ser ambiental, económico, social y tecnológico. Nos complace informar sobre una nueva alternativa al cobalto que utiliza una nueva combinación de elementos en electrodos, incluidos litio, níquel, manganeso, silicio y oxígeno, todos elementos que son mucho más comunes y menos problemáticos de producir y trabajar con ellos”.
Desarrollos prometedores
Los nuevos electrodos y electrolitos creados por Yamada y su equipo no sólo carecen de cobalto, sino que en realidad mejoran la química actual de la batería de alguna manera. La densidad de potencia de las nuevas LIB es aproximadamente un 60% mayor, lo que puede equivaler a una vida útil más larga, y pueden entregar 4,4 voltios, a diferencia de los aproximadamente 3,2-3,7 voltios de las LIB típicas. Pero uno de los logros tecnológicos más sorprendentes fue la mejora de las características de recarga. Las baterías de prueba con la nueva química pudieron cargar y descargar completamente más de 1000 ciclos (simulando tres años de uso y carga completos) y solo perdieron alrededor del 20% de su capacidad de almacenamiento.
“Estamos muy satisfechos con los resultados hasta ahora, pero llegar hasta aquí ha tenido sus desafíos. Fue una lucha intentar suprimir varias reacciones indeseables que ocurrían en las primeras versiones de nuestras nuevas químicas de baterías, que podrían haber reducido drásticamente la longevidad de las baterías”, dijo Yamada. “Y todavía nos queda un largo camino por recorrer, ya que hay pequeñas reacciones persistentes que deben mitigarse para mejorar aún más la seguridad y la longevidad. Actualmente confiamos en que esta investigación conducirá a baterías mejoradas para muchas aplicaciones, pero es posible que algunas, donde se requiere durabilidad y vida útil extremas, aún no estén satisfechas”.
Embora Yamada e sua equipe estivessem explorando aplicações em LIBs, os conceitos subjacentes ao seu desenvolvimento recente podem ser aplicados a outros processos e dispositivos eletroquímicos, incluindo outros tipos de baterias, divisão de água (para produzir hidrogênio e oxigênio), fundição de minério, eletrorrevestimento , y más.
Referencia: “Diseño de electrolitos para baterías de iones de litio con cátodo sin cobalto y ánodo de óxido de silicio” por Seongjae Ko, Xiao Han, Tatau Shimada, Norio Takenaka, Yuki Yamada y Atsuo Yamada, 19 de octubre de 2023, Nature Sustainability.
DOI: 10.1038/s41893-023-01237-y
