Las baterías de litio utilizan más del 50 por ciento de todo el cobalto producido en el mundo. Estas baterías están en tu celular, computadora portátil y tal vez incluso su automóvil. Aproximadamente el 50 por ciento del cobalto del mundo proviene del Congo, donde se extrae principalmente a mano, en algunos casos por niños. Pero ahora, un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de California, Berkeley, ha abierto la puerta al uso de otros metales en baterías de litio, y han construido cátodos con un 50 por ciento más de capacidad de almacenamiento de litio que los materiales convencionales.

"Hemos abierto un nuevo espacio químico para la tecnología de baterías, "dijo el autor principal Gerbrand Ceder, profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Berkeley. "Por primera vez tenemos un elemento realmente barato que puede hacer mucho intercambio de electrones en las baterías".

El estudio se publicará en la edición del 12 de abril de la revista. Naturaleza . El trabajo fue una colaboración entre científicos de UC Berkeley, Laboratorio de Berkeley, Laboratorio Nacional Argonne, MIT y UC Santa Cruz.

En las baterías de litio actuales, Los iones de litio se almacenan en cátodos (el electrodo cargado negativamente), que son estructuras en capas. El cobalto es crucial para mantener esta estructura en capas. Cuando una batería está cargada, Los iones de litio se extraen del cátodo al otro lado de la celda de la batería, el ánodo. La ausencia de litio en el cátodo deja mucho espacio. La mayoría de los iones metálicos entrarían en masa en ese espacio, lo que haría que el cátodo perdiera su estructura. Pero el cobalto es uno de los pocos elementos que no se mueve, haciéndolo fundamental para la industria de las baterías.

En 2014, El laboratorio de Ceder descubrió una forma en que los cátodos pueden mantener una alta densidad de energía sin estas capas, un concepto llamado sales de rocas desordenadas. El nuevo estudio muestra cómo el manganeso puede funcionar dentro de este concepto, que es un paso prometedor para alejarse de la dependencia del cobalto porque el manganeso se encuentra en la suciedad, convirtiéndolo en un elemento barato.

"Para hacer frente al problema de los recursos del cobalto, tienes que alejarte de esta estratificación en los cátodos, "Dijo Ceder." El desorden de los cátodos nos ha permitido jugar con mucho más de la tabla periódica ".

En el nuevo estudio, El laboratorio de Ceder muestra cómo se pueden utilizar las nuevas tecnologías para obtener mucha capacidad de un cátodo. Mediante un proceso llamado dopaje con flúor, los científicos incorporaron una gran cantidad de manganeso en el cátodo. Tener más iones de manganeso con la carga adecuada permite que los cátodos retengan más iones de litio, aumentando así la capacidad de la batería.

Otros grupos de investigación han intentado dopar cátodos con flúor, pero no han tenido éxito. Ceder dice que el trabajo de su laboratorio sobre estructuras desordenadas fue una gran clave para su éxito.

El rendimiento del cátodo se mide en energía por unidad de peso, llamado vatios-hora por kilogramo. Los cátodos de manganeso desordenados se acercaron a 1, 000 vatios-hora por kilogramo. Los cátodos de iones de litio típicos están en el rango de 500 a 700 vatios-hora por kilogramo.

"En el mundo de las baterías, esta es una gran mejora con respecto a los cátodos convencionales, "dijo el autor principal Jinhyuk Lee, quien fue becario postdoctoral en el laboratorio de Ceder durante el estudio, y ahora es becario postdoctoral en el MIT.

La tecnología debe ampliarse y probarse más para ver si se puede usar en aplicaciones como computadoras portátiles o vehículos eléctricos. Pero Ceder dice que si esta tecnología realmente lo hace dentro de una batería no viene al caso; los investigadores han abierto nuevas posibilidades para el diseño de cátodos, que es aún más importante.

"Ahora puedes usar prácticamente cualquier elemento de la tabla periódica porque hemos demostrado que los cátodos no tienen que estar en capas, ", Dijo Ceder." De repente, tenemos mucha más libertad química, y creo que ahí es donde está la verdadera emoción porque ahora podemos explorar nuevos cátodos ".