Un equipo de investigación multiinstitucional dirigido por Hailong Chen del Instituto de Tecnología de Georgia ha desarrollado un cátodo nuevo y rentable que se espera que mejore significativamente el rendimiento de las baterías de iones de litio (LIB) y revolucione el mercado de vehículos eléctricos (EV) y los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala.
"La gente lleva mucho tiempo buscando un material catódico más sostenible y de menor costo para reemplazar los materiales catódicos existentes. Creo que hemos encontrado uno", dijo Chen, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Mecánica George Woodruff y de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Este material revolucionario es el cloruro férrico (FeCl3), que cuesta sólo entre el 1 y el 2 % de los materiales catódicos típicos, pero puede almacenar la misma cantidad de electricidad. Los materiales catódicos afectan la capacidad, la energía y la eficiencia y desempeñan un papel importante en el rendimiento, la longevidad y la economía de la batería.
"Nuestro cátodo cambia las reglas del juego y mejorará enormemente el mercado de vehículos eléctricos y el mercado general de baterías de iones de litio", afirmó Chen. Su equipo presentó su trabajo en Sostenibilidad de la Naturaleza.
Sony comercializó por primera vez baterías de iones de litio a principios de la década de 1990, lo que provocó una explosión en productos electrónicos personales como teléfonos inteligentes y tabletas. Con el tiempo, la tecnología se convirtió en combustible para vehículos eléctricos, proporcionando una fuente de energía confiable, recargable y de alta densidad. Pero a diferencia de los aparatos electrónicos personales, los grandes consumidores de energía, como los vehículos eléctricos, son particularmente sensibles al costo de las baterías de litio.
Actualmente, las baterías representan alrededor del 50% del costo total de los vehículos eléctricos, lo que hace que estos vehículos de energía limpia sean más caros que sus homólogos de combustión interna que emiten gases de efecto invernadero. La invención del equipo del Dr. Chen puede cambiar esta situación.
Hacer mejores baterías
En comparación con las baterías alcalinas y de plomo-ácido más antiguas, las baterías de iones de litio almacenan más energía en un volumen menor y pueden alimentar dispositivos durante más tiempo entre cargas. Sin embargo, las baterías de litio contienen metales caros, incluidos elementos metálicos semipreciosos como el cobalto y el níquel, y sus costes de fabricación son elevados.
Hasta la fecha, sólo se han comercializado con éxito cuatro tipos de cátodos para baterías de litio. La tecnología del Dr. Chen será la quinta y representa un importante paso adelante en la tecnología de baterías: el desarrollo de baterías de iones de litio de estado sólido.
Las baterías de iones de litio tradicionales utilizan un electrolito líquido para transportar iones de litio para almacenar y liberar energía. Las baterías de iones de litio líquidos tienen límites estrictos en cuanto a la cantidad de energía que pueden almacenar y pueden tener fugas e incendiarse. Pero las baterías de litio de estado sólido utilizan electrolitos sólidos, lo que mejora enormemente la eficiencia y confiabilidad de la batería, haciéndola más segura y capaz de almacenar más energía. Esta batería aún se encuentra en etapas de desarrollo y prueba, pero supondrá una mejora importante.
Mientras investigadores y fabricantes de todo el mundo luchan por dar vida a la tecnología de estado sólido, Chen y sus colaboradores han desarrollado una solución asequible y sostenible. Con un cátodo de cloruro férrico, un electrolito sólido y un ánodo de litio metálico, todo su sistema de batería cuesta sólo entre el 30 y el 40 % de las baterías de litio actuales.
"Esto no sólo hará que los vehículos eléctricos sean mucho más baratos que los vehículos de combustión interna, sino que también proporcionará una forma nueva y prometedora de almacenamiento de energía a gran escala que mejora la resiliencia de la red. Además, nuestro cátodo mejorará en gran medida la sostenibilidad y la estabilidad de la cadena de suministro del mercado de vehículos eléctricos", afirmó Chen.
Un sólido punto de partida para nuevos descubrimientos
El interés de Chen en el FeCl3 como material catódico surge de la investigación de su laboratorio sobre materiales electrolíticos sólidos. A partir de 2019, su laboratorio intentó crear baterías de estado sólido utilizando electrolitos sólidos a base de cloruro y cátodos comerciales tradicionales a base de óxido. Los resultados no fueron fluidos: los materiales del cátodo y del electrolito no eran compatibles.
Los investigadores creen que un cátodo a base de cloruro podría combinarse mejor con un electrolito de cloruro, proporcionando un mejor rendimiento de la batería. "Encontramos un material candidato (FeCl3) que valía la pena probar porque su estructura cristalina podría ser adecuada para almacenar y transportar iones de litio y, afortunadamente, funcionó como esperábamos", dijo Chen.
Actualmente, los cátodos más utilizados en los vehículos eléctricos son los óxidos, que requieren grandes cantidades de costosos níquel y cobalto. Estos elementos pesados pueden ser tóxicos y plantear desafíos ambientales. Por el contrario, el cátodo del equipo del Dr. Chen contenía sólo hierro (Fe) y cloro (Cl), elementos abundantes, baratos y ampliamente utilizados en el acero y la sal de mesa.
En sus pruebas preliminares, descubrieron que el FeCl3 funcionaba tan bien o mejor que otros cátodos mucho más caros. Por ejemplo, funciona a un voltaje más alto que el cátodo LiFePO4 (fosfato de litio y hierro o LFP) de uso común, que es la energía que proporciona la batería cuando se conecta a un dispositivo, similar a la presión del agua de una manguera de jardín.
Es probable que la tecnología esté a menos de cinco años de la comercialización de vehículos eléctricos. Por ahora, el equipo de investigación seguirá estudiando el cloruro férrico y materiales relacionados. El trabajo fue dirigido por Chen y el postdoctorado Liu Zhantao, el primer autor del estudio. Los colaboradores incluyen investigadores de la Escuela Woodruff de Georgia Tech (Ting Zhu) y la Escuela de Ciencias de la Tierra y la Atmósfera (Yuanzhi Tang), así como investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (Jue Liu) y la Universidad de Houston (Shuo Chen).
"Queremos hacer que el material sea lo más perfecto posible en el laboratorio y comprender sus mecanismos operativos básicos", dijo Chen. "Pero estamos abiertos a oportunidades para escalar la tecnología y hacerla avanzar hacia aplicaciones comerciales".
Compilado de /ScitechDaily
DOI:10.1038/s41893-024-01431-6