Cómo hacer invencibles las baterías de iones de litio

Ahora, tras varios años de investigación liderada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), los científicos han logrado avances significativos en el desarrollo de cátodos para baterías que utilizan una nueva clase de materiales que proporcionan baterías con la misma densidad energética, si no mayor, que las baterías de iones de litio convencionales, pero que pueden fabricarse con metales baratos y abundantes. Conocida como DRX, siglas de rocas desordenadas con exceso de litio, esta novedosa familia de materiales se inventó hace menos de 10 años y permite fabricar cátodos sin níquel ni cobalto.

"La clásica batería de iones de litio nos ha servido bien, pero al considerar las futuras demandas de almacenamiento de energía, su dependencia de ciertos minerales críticos nos expone no sólo a los riesgos de la cadena de suministro, sino también a problemas medioambientales y sociales", dijo Ravi Prasher, Director Asociado del Laboratorio de Berkeley para Tecnologías Energéticas. "Con los materiales DRX, esto ofrece a las baterías de litio el potencial de ser la base de las tecnologías de baterías sostenibles del futuro".

El cátodo es uno de los dos electrodos de una batería y supone más de un tercio del coste de la misma. En la actualidad, el cátodo de las baterías de iones de litio utiliza una clase de materiales conocidos como NMC, con níquel, manganeso y cobalto como ingredientes clave.

"Llevo más de 20 años investigando sobre cátodos, buscando nuevos materiales, y el DRX es el mejor material nuevo que he visto con diferencia", afirma Gerbrand Ceder, científico de baterías del Berkeley Lab, que codirige la investigación. "Con la clase actual de NMC, que se limita a níquel, cobalto y un componente inactivo de manganeso, la batería clásica de iones de litio está al final de su curva de rendimiento, a menos que se pase a nuevos materiales de cátodo, y eso es lo que ofrece el programa DRX". Los materiales DRX tienen una enorme flexibilidad de composición, y esto es muy poderoso porque no sólo se puede utilizar todo tipo de metales abundantes en un cátodo DRX, sino que también se puede utilizar cualquier tipo de metal para solucionar cualquier problema que pueda surgir durante las primeras etapas del diseño de nuevas baterías. Por eso estamos tan entusiasmados".

Riesgos de la cadena de suministro de cobalto y níquel

El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) ha convertido en una prioridad la búsqueda de formas de reducir o eliminar el uso de cobalto en las baterías. "El sector de las baterías se enfrenta a una enorme escasez de recursos", afirma Ceder. "Incluso con 2 TWh, el rango más bajo de las proyecciones de la demanda mundial, se consumiría casi toda la producción actual de níquel, y con el cobalto no estamos ni siquiera cerca. La producción actual de cobalto es de sólo unos 150 kilotones, y 2 TWh de baterías requerirían 2.000 kilotones de níquel y cobalto en alguna combinación".

Además, más de dos tercios de la producción mundial de níquel se utilizan actualmente para fabricar acero inoxidable. Y más de la mitad de la producción mundial de cobalto procede de la República Democrática del Congo, mientras que Rusia, Australia, Filipinas y Cuba completan los cinco principales productores de cobalto.

En cambio, los cátodos DRX pueden utilizar casi cualquier metal en lugar de níquel y cobalto. Los científicos del Laboratorio de Berkeley se han centrado en el uso de manganeso y titanio, que son más abundantes y menos costosos que el níquel y el cobalto.

"El óxido de manganeso y el óxido de titanio cuestan menos de un dólar por kilogramo, mientras que el cobalto cuesta unos 45 dólares por kilogramo y el níquel unos 18", explica Ceder. "Con el DRX se puede hacer un almacenamiento de energía muy barato. En ese momento, el ión-litio se vuelve imbatible y puede usarse en todas partes -para vehículos, la red eléctrica- y podemos hacer realmente que el almacenamiento de energía sea abundante y barato."

Ordenado frente a desordenado

Ceder y su equipo desarrollaron los materiales DRX en 2014. En las baterías, el número y la velocidad de los iones de litio que pueden viajar al cátodo se traduce en la cantidad de energía y potencia que tiene la batería. En los cátodos convencionales, los iones de litio viajan a través del material del cátodo por caminos bien definidos y se disponen entre los átomos de los metales de transición (normalmente cobalto y níquel) en capas ordenadas.

Lo que el grupo de Ceder descubrió fue que un cátodo con una estructura atómica desordenada podía contener más litio -lo que significa más energía- y permitir una mayor variedad de elementos que sirvieran de metal de transición. También aprendieron que dentro de ese caos, los iones de litio pueden saltar fácilmente.

En 2018, la Oficina de Tecnologías de Vehículos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE proporcionó fondos para que el Laboratorio de Berkeley realizara una "inmersión profunda" en los materiales DRX. En colaboración con científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y la Universidad de California en Santa Bárbara, los equipos del Laboratorio de Berkeley dirigidos por Ceder y Guoying Chen han hecho enormes progresos en la optimización de los cátodos DRX en las baterías de iones de litio.

Por ejemplo, la velocidad de carga -o lo rápido que puede cargarse la batería- de estos materiales era inicialmente muy baja, y su estabilidad también era escasa. El equipo de investigación ha encontrado formas de resolver ambos problemas mediante la modelización y la experimentación. Los estudios sobre el uso de la fluoración para mejorar la estabilidad se han publicado en Advanced Functional Materials y Advanced Energy Materials; la investigación sobre cómo permitir una alta velocidad de carga se publicó recientemente en Nature Energy.

Dado que el DRX puede fabricarse con muchos elementos diferentes, los investigadores también han estado trabajando en qué elemento sería mejor utilizar, dando con el punto óptimo de ser abundante, barato y proporcionar un buen rendimiento. "El DRX se ha sintetizado con casi toda la tabla periódica", afirma Ceder.

"Esto es lo mejor de la ciencia: descubrimientos fundamentales que servirán de base a los sistemas de los hogares, los vehículos y las redes del futuro", dijo Noel Bakhtian, director del Centro de Almacenamiento de Energía de Berkeley Lab. "Lo que ha hecho que el Laboratorio Berkeley tenga tanto éxito en la innovación de las baterías desde hace décadas es nuestra combinación de amplitud y profundidad de conocimientos, desde los descubrimientos fundamentales hasta la caracterización, la síntesis y la fabricación, así como los mercados energéticos y la investigación política. La colaboración es clave: nos asociamos con la industria y con otros sectores para resolver problemas del mundo real, lo que a su vez ayuda a galvanizar la ciencia líder en el mundo que hacemos en el Laboratorio."

Avances rápidos

Tradicionalmente, los nuevos materiales para baterías han tardado entre 15 y 20 años en comercializarse; Ceder cree que el progreso de los materiales DRX puede acelerarse con un equipo más amplio. "Hemos hecho grandes progresos en los últimos tres años con la inmersión profunda", dijo Ceder. "Hemos llegado a la conclusión de que estamos preparados para un equipo más grande, de modo que podamos involucrar a personas con un conjunto más diverso de habilidades para realmente perfeccionar esto".

Un equipo de investigación ampliado podría actuar con rapidez para resolver los problemas restantes, como mejorar la duración del ciclo (o el número de veces que la batería puede recargarse y descargarse a lo largo de su vida útil) y optimizar el electrolito, el medio químico que permite el flujo de carga eléctrica entre el cátodo y el ánodo. Desde su desarrollo en el laboratorio de Ceder, grupos de Europa y Japón también han puesto en marcha grandes programas de investigación sobre DRX.

"Los avances en las tecnologías de las baterías y el almacenamiento de energía requerirán avances continuos en la ciencia fundamental de los materiales", dijo Jeff Neaton, Director Asociado del Laboratorio de Berkeley para las Ciencias de la Energía. "La experiencia del Laboratorio de Berkeley, sus instalaciones únicas y sus capacidades de imagen, cálculo y síntesis avanzadas nos permiten estudiar los materiales a escala de átomos y electrones. Estamos bien preparados para acelerar el desarrollo de materiales prometedores como el DRX para la energía limpia."