Científicos desarrollan un recubrimiento que multiplica la vida útil de las baterías de litio

Un equipo de investigadores liderado por la Universidad de Arkansas (EEUU) ha desarrollado un recubrimiento nanométrico capaz de multiplicar la vida útil de las baterías de iones de litio, un avance que podría ayudar a resolver uno de los principales obstáculos para la expansión de los vehículos eléctricos: la limitada duración y autonomía de sus baterías. El estudio demuestra que un recubrimiento extremadamente fino aplicado sobre los cátodos puede aumentar de forma notable el número de ciclos de carga y descarga que soportan estos dispositivos sin degradarse.

La investigación se centra en un material conocido como NMC811, un óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto que se ha convertido en uno de los cátodos más prometedores para baterías modernas por su bajo coste y su alta capacidad energética. Sin embargo, este material presenta un problema importante: durante los ciclos de carga y descarga libera oxígeno desde su estructura. Este fenómeno provoca reacciones químicas que degradan el electrolito de la batería, generan gases y otros subproductos indeseables y pueden terminar afectando tanto al rendimiento como a la seguridad del sistema.

Para solucionar este problema, el equipo liderado por el ingeniero mecánico Xiangbo “Henry” Meng aplicó sobre los cátodos un recubrimiento de sulfuro de circonio con un grosor de apenas dos nanómetros —equivalente a dos milmillonésimas de metro— mediante una técnica conocida como deposición por capas atómicas. Cuando el cátodo libera oxígeno durante el funcionamiento de la batería, este recubrimiento lo captura y se transforma químicamente: el sulfuro (ZrS2) se convierte en sulfato (Zr(SO4)2).

Este proceso permite evitar que el oxígeno reaccione con el electrolito y lo degrade. Además, el nuevo recubrimiento de sulfato protege la batería de otras formas: estabiliza la interfaz entre el cátodo y el electrolito, reduce reacciones químicas no deseadas, limita la aparición de microfracturas en el material y ayuda a mantener la estabilidad estructural del cátodo.

Mejora significativa en el rendimiento

Los resultados obtenidos muestran una mejora significativa en el rendimiento. Mientras que los cátodos NMC811 sin recubrimiento suelen resistir alrededor de 200 ciclos de carga y descarga, los cátodos tratados con esta nueva capa superaron los 1.000 ciclos. Incluso después de 1.300 ciclos, las baterías conservaron aproximadamente el 60 % de su capacidad original.

Según Meng, el hallazgo se basa en la capacidad de ciertos sulfuros para transformarse en sulfatos dentro de la propia batería durante su funcionamiento, creando capas protectoras que actúan como barreras antioxidantes. El investigador señala que estas capas funcionan como “recubrimientos protectores robustos, limpios y antioxidantes en los cátodos de las baterías”.

Hasta ahora, el equipo ha comprobado este fenómeno con varios materiales sulfurosos, entre ellos Li2S, ZrS2, Al2S3, ZnS y Cu2S, aunque el trabajo continúa para evaluar su comportamiento en diferentes configuraciones de baterías.

El estudio fue realizado en el laboratorio Meng Nano & Energy Lab y contó con la participación de varios investigadores, entre ellos el doctorando Kevin Velasquez, primer autor del artículo. Velasquez probó los recubrimientos en laboratorio utilizando celdas tipo moneda, pequeñas baterías comúnmente empleadas en dispositivos electrónicos de baja potencia como relojes o calculadoras. En la investigación también colaboraron científicos del Argonne National Laboratory y de la University of Arkansas at Little Rock.

Mayores opciones de aplicación

Además de su potencial impacto en el desarrollo de vehículos eléctricos, los investigadores señalan que esta tecnología podría aplicarse a muchas de las baterías que se utilizan actualmente en teléfonos móviles, ordenadores portátiles y otros dispositivos electrónicos, aumentando su vida útil y mejorando su seguridad.

Meng añadió que varias grandes empresas tecnológicas ya han mostrado interés en los resultados y planean colaborar con el laboratorio nacional de Argonne para probar el recubrimiento en distintos tipos de baterías, un paso clave para evaluar su posible aplicación a escala industrial. Mientras tanto, el equipo continúa investigando nuevas combinaciones de materiales que permitan seguir mejorando el rendimiento de las baterías de iones de litio.