Muchos vehículos eléctricos funcionan con baterías que contienen cobalto, un metal que conlleva altos costos financieros, ambientales y sociales.
Los investigadores del MIT han diseñado un material para baterías que podría ofrecer una forma más sostenible de alimentar coches eléctricos. La nueva batería de iones de litio incluye un cátodo basado en materiales orgánicos, en lugar de cobalto o níquel (otro metal utilizado a menudo en las baterías de iones de litio).
En un nuevo estudio, los investigadores demostraron que este material, que podría producirse a un costo mucho menor que las baterías que contienen cobalto, puede conducir electricidad a velocidades similares a las de las baterías de cobalto. La nueva batería también tiene una capacidad de almacenamiento comparable y se puede cargar más rápido que las baterías de cobalto, informan los investigadores.
"Creo que este material podría tener un gran impacto porque funciona muy bien", afirma Mircea Dincă, investigador de W.M. Profesor Keck de Energía en el MIT. "Ya es competitivo con las tecnologías existentes y puede ahorrar muchos costos, molestias y problemas ambientales relacionados con la extracción de los metales que actualmente se utilizan en las baterías".
Dincă es el autor principal del estudio, que se publica hoy (18 de enero) en la revista ACS Central Science. . Tianyang Chen Ph.D. '23 y Harish Banda, ex postdoctorado del MIT, son los autores principales del artículo. Otros autores incluyen a Jiande Wang, postdoctorado del MIT; Julius Oppenheim, estudiante de posgrado del MIT; y Alessandro Franceschi, investigador de la Universidad de Bolonia.
La mayoría de los automóviles eléctricos funcionan con baterías de iones de litio, un tipo de batería que se recarga cuando los iones de litio fluyen desde un electrodo cargado positivamente, llamado cátodo, a un electrodo negativo, llamado ánodo. En la mayoría de las baterías de iones de litio, el cátodo contiene cobalto, un metal que ofrece alta estabilidad y densidad energética.
Sin embargo, el cobalto tiene importantes desventajas. Un metal escaso, su precio puede fluctuar dramáticamente y gran parte de los depósitos de cobalto del mundo están ubicados en países políticamente inestables. La extracción de cobalto crea condiciones de trabajo peligrosas y genera desechos tóxicos que contaminan la tierra, el aire y el agua que rodean las minas.
"Las baterías de cobalto pueden almacenar mucha energía y tienen todas las características que interesan a la gente en términos de rendimiento, pero tienen el problema de no estar ampliamente disponibles y el costo fluctúa ampliamente con los precios de las materias primas. Y, a medida que se hace la transición, "Ante una proporción mucho mayor de vehículos electrificados en el mercado de consumo, sin duda será más caro", afirma Dincă.
Debido a los numerosos inconvenientes del cobalto, se han realizado muchas investigaciones para tratar de desarrollar materiales alternativos para baterías. Uno de esos materiales es el fosfato de hierro y litio (LFP), que algunos fabricantes de automóviles están empezando a utilizar en vehículos eléctricos. Aunque sigue siendo prácticamente útil, LFP tiene sólo aproximadamente la mitad de la densidad energética de las baterías de cobalto y níquel.
Otra opción atractiva son los materiales orgánicos, pero hasta ahora la mayoría de estos materiales no han podido igualar la conductividad, la capacidad de almacenamiento y la vida útil de las baterías que contienen cobalto. Debido a su baja conductividad, estos materiales normalmente necesitan mezclarse con aglutinantes como polímeros, que les ayudan a mantener una red conductora. Estos aglutinantes, que constituyen al menos el 50 por ciento del material total, reducen la capacidad de almacenamiento de la batería.
Hace unos seis años, el laboratorio de Dincă comenzó a trabajar en un proyecto, financiado por Lamborghini, para desarrollar una batería orgánica que pudiera usarse para alimentar automóviles eléctricos. Mientras trabajaban en materiales porosos que eran en parte orgánicos y en parte inorgánicos, Dincă y sus estudiantes se dieron cuenta de que un material completamente orgánico que habían creado parecía ser un fuerte conductor.
Este material consta de muchas capas de TAQ (bis-tetraaminobenzoquinona), una pequeña molécula orgánica que contiene tres anillos hexagonales fusionados. Estas capas pueden extenderse hacia afuera en todas direcciones, formando una estructura similar al grafito. Dentro de las moléculas hay grupos químicos llamados quinonas, que son los reservorios de electrones, y aminas, que ayudan al material a formar fuertes enlaces de hidrógeno.
Esos enlaces de hidrógeno hacen que el material sea muy estable y también muy insoluble. Esa insolubilidad es importante porque evita que el material se disuelva en el electrolito de la batería, como lo hacen algunos materiales orgánicos de la batería, extendiendo así su vida útil.
"Uno de los principales métodos de degradación de los materiales orgánicos es que simplemente se disuelven en el electrolito de la batería y cruzan al otro lado de la batería, creando esencialmente un cortocircuito. Si haces que el material sea completamente insoluble, ese proceso no esto sucede, por lo que podemos llegar a más de 2000 ciclos de carga con una degradación mínima", afirma Dincă.
Las pruebas de este material demostraron que su conductividad y capacidad de almacenamiento eran comparables a las de las baterías tradicionales que contienen cobalto. Además, las baterías con cátodo TAQ se pueden cargar y descargar más rápido que las baterías existentes, lo que podría acelerar la velocidad de carga de los vehículos eléctricos.
Para estabilizar el material orgánico y aumentar su capacidad de adherirse al colector de corriente de la batería, que está hecho de cobre o aluminio, los investigadores añadieron materiales de relleno como celulosa y caucho. Estos rellenos constituyen menos de una décima parte del compuesto total del cátodo, por lo que no reducen significativamente la capacidad de almacenamiento de la batería.
Estos rellenos también extienden la vida útil del cátodo de la batería al evitar que se agriete cuando los iones de litio fluyen hacia el cátodo mientras la batería se carga.
Los materiales primarios necesarios para fabricar este tipo de cátodo son un precursor de quinona y un precursor de amina, que ya están disponibles comercialmente y se producen en grandes cantidades como productos químicos básicos. Los investigadores estiman que el costo del material para ensamblar estas baterías orgánicas podría ser entre un tercio y la mitad del costo de las baterías de cobalto.
Lamborghini ha obtenido la licencia de la patente de la tecnología. El laboratorio de Dincă planea seguir desarrollando materiales alternativos para baterías y está explorando la posible sustitución del litio por sodio o magnesio, que son más baratos y abundantes que el litio.
Más información: Tianyang Chen et al, Un cátodo orgánico en capas para baterías de iones de litio de alta energía, carga rápida y larga duración, ACS Central Science (2024). DOI:10.1021/acscentsci.3c01478
Información de la revista: Ciencia central de ACS
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
