Las baterías de iones de litio, baterías recargables basadas en iones de litio (Li), se utilizan actualmente para alimentar una amplia gama de dispositivos electrónicos, que van desde teléfonos inteligentes hasta computadoras portátiles, juguetes, auriculares inalámbricos y vehículos eléctricos. A pesar de sus notables prestaciones, estas baterías están fabricadas con materias primas caras e insostenibles.

El más notable de estos materiales es el cobalto (Co), que se utiliza para crear cátodos en capas para baterías de iones de litio. Debido al reciente aumento en la demanda de vehículos eléctricos, el cobalto se está volviendo rápidamente escaso en la Tierra, también debido a la creciente demanda de la industria de la tecnología y la electrónica.

La creciente demanda mundial de cobalto es sustentada gracias a la explotación extrema de trabajadores, incluidos niños, en países en desarrollo, quienes son obligados a laborar en condiciones extremas y peligrosas. Se estima que 100.000 mineros de cobalto en el Congo usan herramientas manuales para excavar cientos de pies bajo tierra con poca supervisión y pocas medidas de seguridad, según trabajadores, funcionarios gubernamentales, según un reporte de The Washington Post. Las muertes y lesiones son comunes. Y la actividad minera expone a las comunidades locales a niveles de metales tóxicos que parecen estar relacionados con dolencias que incluyen problemas respiratorios y defectos de nacimiento, dicen funcionarios de salud.

Investigadores de la Universidad de Hanyang (Corea del Sur) y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (EEUU) han demostrado recientemente que la creación de cátodos en capas de alto rendimiento sin usar cobalto podría ser posible. Su artículo, publicado en Nature Energy, podría contribuir en última instancia al desarrollo de soluciones de baterías de iones de litio más sostenibles y asequibles.

"El profesor Sun y yo hemos estado trabajando juntos en materiales de cátodo durante los últimos 20 años", dijo a TechXplore el profesor Chong S. Yoon, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Con el agotamiento cada vez mayor de cobalto y la incertidumbre de su suministro, reconocemos que es cada vez más imperativo eliminar el cobalto de los cátodos en capas ricos en níquel Ni (NCA o NCM) que se utilizan en los vehículos eléctricos".

Hasta ahora, eliminar el cobalto de los cátodos en capas para las baterías de iones de litio ha resultado ser un gran desafío. Esto se debe a que incluso una pequeña cantidad de este material puede mejorar significativamente la estabilidad estructural de los cátodos, lo que a su vez acelera la llamada cinética de intercalación de litio. Este es un proceso químico esencial que, en última instancia, permite un alto rendimiento en las baterías. Para superar esta limitación, algunos investigadores han estado explorando el potencial de un cátodo hecho de Li(NixMn1-x) O2; posiblemente la composición libre de cátodos más sencilla.

"Li (Ni0.5Mn0.5) O2 es un cátodo libre de Co bien estudiado con estabilidad de ciclo estable, pero proporciona una capacidad insuficiente para los vehículos eléctricos actuales", dijo Yoon. "Ha habido intentos de aumentar el contenido de níquel en litio (Ni0.5Mn0.5) O2 para aumentar su capacidad, pero el problema de capacidad seguía sin resolverse. Sin Co, es difícil extraer Li de la estructura huésped".

Para superar los desafíos encontrados durante los intentos anteriores de crear cátodos de Li(Ni0.5Mn0.5)O2 de alto rendimiento, Yoon y sus colegas aumentaron el voltaje operativo de sus cátodos de 4,3 V a 4,4 V. Esto les permitió extraer una fracción mayor de litio de Li(Ni0.9Mn0.1)O2, que aumentó simultáneamente la densidad de energía y la densidad de potencia en el voltaje operativo más alto de las baterías. Para asegurarse de que su batería de iones de litio se mantuviera estable a 4,4 V (el voltaje operativo más alto), el equipo tuvo que rediseñar la microestructura del cátodo y el electrolito de las baterías.

"Por nuestra experiencia, sabíamos que la introducción de dopantes con altos estados de oxidación (Mo, W, Sb, Ta, etc.) refina el tamaño de las partículas primarias y estabiliza la estructura huésped delitiada", dijo Yoon. "Tomamos un enfoque heurístico basado en nuestra experiencia anterior para determinar que dopar el cátodo de Li(Ni0.9Mn0.1)O2 con 1 % mol de Mo brinda el mejor rendimiento. También se agregó carbonato de fluoroetileno al electrolito convencional para respaldar el electrolito en 4,4 V y protege la superficie del cátodo del ataque de los electrolitos. 1% mol Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2 ciclado 1000 veces mientras retiene el 86% de la capacidad inicial, que es más que suficiente para alcanzar la vida útil de la batería especificada por la electricidad fabricante de vehículos".

La principal dificultad que encontraron Yoon y sus colegas al tratar de operar su cátodo de 1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2 a 4.4 V fue el desvanecimiento de la capacidad durante ciclos prolongados (es decir, una pérdida de capacidad con el tiempo que afecta a todos los baterías recargables basadas en cátodos estratificados ricos en níquel). Para asegurarse de que su batería tuviera suficiente vida útil para alimentar los dispositivos durante un período de tiempo razonable, primero tenían que resolver este problema de disminución de la capacidad.

"La excepcional estabilidad cíclica de 1% mol de Mo—Li(Ni0.9Mn0.1) O2 a 4.4 V se debe en gran medida al refinamiento del tamaño de grano y al ordenamiento de cationes", explicó Yoon. "Los iones Mo6+ tienden a segregarse a lo largo de los límites entre partículas e inhiben el crecimiento de los granos durante el tratamiento térmico a alta temperatura, que es necesario para convertir el precursor de hidróxido en Li(Ni0.9Mn0.1)O2. Los límites de los granos en este cátodo de estructura ultrafina aumentan la tenacidad a la fractura en desviando las grietas generadas por la contracción abrupta de la red cerca del extremo de la carga".

Los límites de grano en el cátodo de los investigadores también pueden actuar como rutas de difusión rápida para Li+, que eliminan las faltas de homogeneidad locales debido a su composición y suprimen las fracturas intragranulares. Al introducir Mo6+, el equipo pudo organizar los cationes en su cátodo de una manera específica (es decir, entremezclando iones de litio y niquel). Este diseño único estabiliza la estructura del cátodo cuando es más vulnerable debido a la extracción no uniforme de iones Li+.

"Nuestros hallazgos sugieren que desarrollar un cátodo en capas sin cobalto de alto rendimiento ya no es un objetivo difícil de alcanzar", dijo Yoon. "El ciclo de cátodo de 1 % mol Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2 propuesto a alto voltaje es una solución económicamente viable que se puede lograr con la tecnología de fabricación actual. Además, al aclarar el papel intrínseco del cobalto durante la extracción de Li+ de la estructura anfitriona, este trabajo ofrece un criterio de diseño de materiales para seleccionar un elemento de dopaje terciario para garantizar la durabilidad estructural y mecánica de los cátodos en capas libres de cobalto".

El diseño y la composición del cátodo propuestos por Yoon y sus colegas podrían guiar los futuros esfuerzos de investigación destinados a mejorar el rendimiento general de los cátodos en capas ricos en Ni. Además, su trabajo podría allanar el camino hacia la creación de tecnologías de batería sin cobalto de alto rendimiento, que podrían ser más sostenibles y asequibles que sus contrapartes basadas en cobalto.

"Para los vehículos eléctricos de alto rendimiento con un rango de conducción prolongado y seguridad mejorada, la próxima generación de baterías de iones de litio probablemente serán baterías de estado sólido con cátodos libres de cobre ricos en Ni", agregó Yoon. "Ahora estamos investigando la posibilidad de aplicar el cátodo libre de cobalto propuesto a las baterías de estado sólido".

Con información de TechXplore.com