En nuestro futuro mundo electrificado, se prevé que la demanda de almacenamiento de baterías sea enorme, llegando a más de 2 a 10 teravatios-hora (TWh) de producción anual de baterías para 2030, desde menos de 0,5 TWh en la actualidad. Sin embargo, crece la preocupación sobre si las materias primas clave serán adecuadas para satisfacer esta demanda futura. La batería de iones de litio, la tecnología dominante en el futuro previsible, tiene un componente hecho de cobalto y níquel, y esos dos metales enfrentan severas limitaciones de suministro en el mercado global.

Ahora, después de varios años de investigación dirigida por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), los científicos han logrado un progreso significativo en el desarrollo de cátodos de batería utilizando una nueva clase de materiales que proporcionan a las baterías la misma o mayor densidad de energía que las baterías de iones de litio convencionales. pero puede estar hecho de metales baratos y abundantes. Conocida como DRX, que significa sales de roca desordenadas con exceso de litio, esta nueva familia de materiales se inventó hace menos de 10 años y permite fabricar cátodos sin níquel ni cobalto.

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

El cátodo es uno de los dos electrodos de una batería y representa más de un tercio del costo de una batería. Actualmente, 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.

"He investigado cátodos durante más de 20 años, buscando nuevos materiales, y DRX es el mejor material nuevo que he visto hasta ahora", dijo el científico de baterías de Berkeley Lab, Gerbrand Ceder, quien codirige la investigación. "Con la clase actual de NMC, que está restringida solo a níquel, cobalto y un componente inactivo hecho de manganeso, la batería clásica de iones de litio está al final de su curva de rendimiento a menos que cambie a nuevos materiales de cátodo, y eso es lo que la El programa DRX ofrece Los materiales DRX tienen una enorme flexibilidad de composición, y esto es muy poderoso porque no solo puede usar todo tipo de metales abundantes en un cátodo DRX, sino que también puede usar cualquier tipo de metal para solucionar cualquier problema que pueda surgir durante las primeras etapas del diseño de nuevas baterías. Por eso estamos tan emocionados".

Riesgos de la cadena de suministro de cobalto y níquel

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha convertido en una prioridad encontrar formas de reducir o eliminar el uso de cobalto en las baterías. "La industria de las baterías se enfrenta a una enorme escasez de recursos", dijo Ceder. "Incluso a 2 TWh, el rango más bajo de las proyecciones de demanda global, eso consumiría casi toda la producción actual de níquel, y con el cobalto ni siquiera estamos cerca. La producción actual de cobalto es de solo alrededor de 150 kilotones, y 2 TWh de energía de batería requieren 2000 kilotones de níquel y cobalto en alguna combinación".

Además, más de dos tercios de la producción mundial de níquel se utiliza actualmente para fabricar acero inoxidable. Y más de la mitad de la producción mundial de cobalto proviene de la República Democrática del Congo, con Rusia, Australia, Filipinas y Cuba completando los cinco principales productores de cobalto.

En contraste, los cátodos DRX pueden usar casi cualquier metal en lugar de níquel y cobalto. Los científicos de Berkeley Lab se han centrado en el uso de manganeso y titanio, que son más abundantes y de menor costo que el níquel y el cobalto.

"El óxido de manganeso y el óxido de titanio cuestan menos de $1 por kilogramo, mientras que el cobalto cuesta alrededor de $45 por kilogramo y el níquel alrededor de $18", dijo Ceder. "Con DRX, tiene el potencial para hacer un almacenamiento de energía muy económico. En ese punto, el ion de litio se vuelve imbatible y se puede usar en todas partes, para vehículos, la red, y realmente podemos hacer que el almacenamiento de energía sea abundante y económico".

Ordenado vs desordenado

Ceder y su equipo desarrollaron materiales DRX en 2014. En las baterías, la cantidad 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 a lo largo de rutas bien definidas y se organizan entre los átomos de metales de transición (por lo general, cobalto y níquel) en capas limpias y 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, al tiempo que permitía que una gama más amplia de elementos sirviera como metal de transición. También aprendieron que dentro de ese caos, los iones de litio pueden moverse fácilmente.

En 2018, la Oficina de Tecnologías de Vehículos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE proporcionó fondos para que Berkeley Lab se sumergiera en profundidad 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 de Berkeley Lab dirigidos por Ceder y Guoying Chen lograron un gran progreso en la optimización de los cátodos DRX en las baterías de iones de litio.

Por ejemplo, la tasa de carga, o qué tan rápido puede cargar la batería, de estos materiales fue inicialmente muy baja y su estabilidad también fue deficiente. El equipo de investigación ha encontrado formas de abordar estos dos problemas a través del modelado y la experimentación. Se han publicado estudios sobre el uso de la fluoración para mejorar la estabilidad en Advanced Functional Materials y Materiales energéticos avanzados; una investigación sobre cómo permitir una tasa de carga alta se publicó recientemente en Nature Energy .

Dado que DRX se puede fabricar con muchos elementos diferentes, los investigadores también han estado trabajando en qué elemento sería mejor usar, alcanzando el punto óptimo de ser abundante, económico y proporcionar un buen rendimiento. "DRX ahora se ha sintetizado con casi toda la tabla periódica", dijo Ceder.

"Esto es ciencia en su máxima expresión:descubrimientos fundamentales que servirán como base de los sistemas en futuros hogares, vehículos y redes", dijo Noel Bakhtian, director del Centro de almacenamiento de energía de Berkeley Lab. "Lo que ha hecho que Berkeley Lab tenga tanto éxito en la innovación de baterías durante décadas es nuestra combinación de amplitud y profundidad de experiencia, desde el descubrimiento fundamental hasta la caracterización, la síntesis y la fabricación, así como los mercados energéticos y la investigación de políticas. La colaboración es clave:nos asociamos con la industria y más allá para resolver problemas del mundo real, lo que a su vez ayuda a impulsar la ciencia líder mundial que hacemos en el laboratorio".

Progreso rápido

Los nuevos materiales para baterías han tardado tradicionalmente entre 15 y 20 años en comercializarse; Ceder cree que el progreso en los materiales DRX se puede acelerar con un equipo más grande. "Hemos hecho un gran progreso en los últimos tres años con la inmersión profunda", dijo Ceder. "Hemos llegado a la conclusión de que estamos listos para un equipo más grande, por lo que podemos involucrar a personas con un conjunto más diverso de habilidades para refinar realmente esto".

Un equipo de investigación ampliado podría actuar rápidamente para abordar los problemas restantes, incluida la mejora del ciclo de vida (o la cantidad de veces que la batería puede recargarse y descargarse durante su vida útil) y optimizar el electrolito, el medio químico que permite el flujo de carga eléctrica. entre el cátodo y el ánodo. Desde que se desarrolló en el laboratorio de Ceder, grupos en Europa y Japón también han lanzado grandes programas de investigación de DRX.

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