En la búsqueda de una batería de iones de litio que tenga una mayor autonomía, una apuesta prometedora es el llamado cátodo rico en litio, que contiene más proporción de litio de lo normal.
Un grupo de investigadores del laboratorio del Departamento Nacional de Energía (DOE) y del Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han informado de un avance importante en la comprensión de cómo la oxidación del oxígeno crea una capacidad adicional en dichos cátodos, abriendo la puerta a baterías con mucha mayor densidad de energía, es decir, que un vehículo eléctrico sería capaz de correr durante mucho más tiempo entre cargas.
"La naturaleza específica de nuestros hallazgos muestra un camino claro y emocionante hacia adelante para crear los materiales de cátodo de próxima generación con sustancias con más alta densidad de energía que los materiales catódicos actuales", escriben los investigadores en su estudio publicado en Nature Chemistry .
La investigación fue dirigida por Gerbrand Ceder de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley. Los autores principales fueron Dong-Hwa Lee Seo y Jinhyuk, y otros co-autores fueron Alexander Urban, Rahul Malik, y Shinyoung Kang.
Ceder también tiene una vacante en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la Universidad de Berkeley, y todos los co-autores también están afiliados con el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), donde se llevó a cabo algunos de los trabajos.
En una batería de iones de litio convencional, el material del cátodo es un óxido de metal de transición de litio, con el contenido de litio y metal de transición, tal como níquel o cobalto, equilibrado. En un cátodo rico en litio, hay una mayor proporción de litio que del metal de transición. Debido a que los metales de transición son pesados y caros, conseguir reducir su tamaño es un gran beneficio. La batería puede ser significativamente más barata y más ligera. Estos son importantes factores especialmente para los vehículos, donde la batería es uno de los componentes más pesados.
"Se ha demostrado experimentalmente que un material de cátodo de litio en exceso puede ofrecer una mayor densidad de energía, alrededor de un 50% más que los materiales de cátodo en las baterías de litio comerciales", afirma Dong-Hwa Lee.
El obstáculo de la oxidación
Un obstáculo importante que se han encontrado los investigadores ha sido específicamente el papel del oxígeno. Normalmente, cuando una batería está cargada y descargada, el metal de transición en el cátodo se oxida y libera electrones; esos electrones viajan entonces entre el cátodo y el ánodo y crean electricidad.
"Lo que nosotros y otros hemos estado reclamando recientemente es que se puede tomar un electrón de oxígeno y poner de nuevo, que es bastante radical. Esa es la idea principal de este diseño de cátodo", dijo Ceder. "Este trabajo muestra específicamente que es verdad y lo más importante, muestra en qué condiciones se convierte en realidad".
Ceder dijo que él y otros científicos han investigado sobre el papel del oxígeno en el cátodo durante más de 15 años. "Ha sido muy controvertido", dijo. "Sabíamos que estaba allí. Este estudio es un avance conceptual importante para nosotros".
Actualmente sólo hay tres metales de transición (cobalto, níquel, y en la mayoría de los cátodos comerciales utilizados manganeso). Esa selección limitada restringe el diseño de la batería. Lo que es más, su disponibilidad es limitada. La demanda de cobalto ha estado en auge, y más del 45 por ciento de la producción de cobalto del mundo ahora va a las baterías de iones de litio.
"No es escalable", dijo Ceder. "Si queremos dar una solución a todos los vehículos eléctricos, no se puede hacer solo con una única tecnología como el cobalto".
La investigación se inició hace dos años después de que el grupo de Ceder descubriera que una llamada estructura de cátodo "desordenada", podría ser viable. Esto llevó al grupo a investigar cómo y cuando el oxígeno está presente en cátodos ricos en litio, que son similares en estructura a los cátodos desordenados.
El grupo de Ceder desarrolló una metodología novedosa de la utilización de simulaciones de mecánica cuántica para estudiar la transferencia de carga de electrones en materiales de cátodo con gran precisión.
"Ahora entendemos por qué se oxida el oxígeno y la forma en que compite con metales de transición en la oxidación", dijo Seo. "Ahora sabemos cómo manipular el metal de transición y la oxidación del oxígeno para lograr cátodos con mayor densidad de energía".
A partir de ahora se abren más opciones. "Ahora podemos utilizar 15 o 20 diferentes metales de transición," dijo Ceder. "Podemos utilizar una gama mucho más amplia de la química en busca de cátodos, y sabemos exactamente el tipo de estructuras que queremos".
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