Un equipo de investigación multiinstitucional dirigido por Hailong Chen de Georgia Tech ha desarrollado un nuevo cátodo de bajo costo que podría mejorar radicalmente las baterías de iones de litio (LIB), transformando potencialmente el mercado de vehículos eléctricos (VE) y los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala.
«Durante mucho tiempo, la gente ha estado buscando una alternativa más económica y sostenible a los materiales catódicos existentes. Creo que la hemos encontrado», dijo Chen, profesor asociado con nombramientos en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
El material revolucionario, el cloruro de hierro (FeCl3), cuesta apenas entre un 1 y un 2 % del costo de los materiales de cátodos típicos y puede almacenar la misma cantidad de electricidad. Los materiales de cátodo afectan la capacidad, la energía y la eficiencia, y desempeñan un papel importante en el rendimiento, la vida útil y la asequibilidad de una batería.
«Nuestro cátodo puede cambiar las reglas del juego», dijo Chen, cuyo equipo describe su trabajo en Sostenibilidad de la naturaleza«Mejoraría enormemente el mercado de vehículos eléctricos y todo el mercado de baterías de iones de litio».
Las baterías de iones de litio, comercializadas por primera vez por Sony a principios de los años 90, provocaron una explosión en el sector de la electrónica personal, como los teléfonos inteligentes y las tabletas. Con el tiempo, la tecnología avanzó hasta convertirse en combustible para vehículos eléctricos, lo que proporciona una fuente de energía fiable, recargable y de alta densidad. Pero, a diferencia de la electrónica personal, los grandes consumidores de energía, como los vehículos eléctricos, son especialmente sensibles al coste de las baterías de iones de litio.
En la actualidad, las baterías son responsables de aproximadamente el 50% del costo total de un vehículo eléctrico, lo que hace que estos autos de energía limpia sean más caros que sus primos de combustión interna que emiten gases de efecto invernadero. La invención del equipo de Chen podría cambiar eso.
Construyendo una batería mejor
En comparación con las tradicionales baterías alcalinas y de plomo-ácido, las baterías de ion de litio almacenan más energía en un formato más pequeño y alimentan un dispositivo durante más tiempo entre cargas. Sin embargo, las baterías de ion de litio contienen metales caros, incluidos elementos semipreciosos como el cobalto y el níquel, y tienen un alto costo de fabricación.
Hasta ahora, sólo se han comercializado con éxito cuatro tipos de cátodos para baterías de iones de litio. El de Chen sería el quinto y representaría un gran paso adelante en la tecnología de baterías: el desarrollo de una batería de iones de litio totalmente de estado sólido.
Las baterías de iones de litio convencionales utilizan electrolitos líquidos para transportar iones de litio con los que almacenar y liberar energía. Tienen límites estrictos en cuanto a la cantidad de energía que pueden almacenar y pueden tener fugas e incendiarse. Pero las baterías de iones de litio de estado sólido utilizan electrolitos sólidos, lo que aumenta drásticamente la eficiencia y la confiabilidad de la batería y la hace más segura y capaz de almacenar más energía. Estas baterías, que aún se encuentran en la fase de desarrollo y prueba, supondrían una mejora considerable.
Mientras los investigadores y fabricantes de todo el planeta compiten por hacer que la tecnología de estado sólido sea práctica, Chen y sus colaboradores han desarrollado una solución asequible y sostenible. Con el cátodo de FeCl3, un electrolito sólido y un ánodo de metal de litio, el costo de todo su sistema de baterías es entre el 30 y el 40 % del de las baterías de iones de litio actuales.
«Esto no sólo podría hacer que los vehículos eléctricos sean mucho más baratos que los automóviles de combustión interna, sino que también ofrece una forma nueva y prometedora de almacenamiento de energía a gran escala, mejorando la resiliencia de la red eléctrica», afirmó Chen. «Además, nuestro cátodo mejoraría enormemente la sostenibilidad y la estabilidad de la cadena de suministro del mercado de vehículos eléctricos».
Un comienzo sólido para un nuevo descubrimiento
El interés de Chen en el FeCl3 como material para cátodos surgió de la investigación de su laboratorio sobre materiales de electrolitos sólidos. A partir de 2019, su laboratorio intentó fabricar baterías de estado sólido utilizando electrolitos sólidos a base de cloruro con cátodos comerciales tradicionales a base de óxido. No salió bien: los materiales del cátodo y del electrolito no se llevaban bien.
Los investigadores pensaron que un cátodo a base de cloruro podría proporcionar una mejor combinación con el electrolito de cloruro para ofrecer un mejor rendimiento de la batería.
«Encontramos un candidato (FeCl3) que vale la pena probar, ya que su estructura cristalina es potencialmente adecuada para almacenar y transportar iones de litio y, afortunadamente, funcionó como esperábamos», afirmó Chen.
En la actualidad, los cátodos más utilizados en los vehículos eléctricos son óxidos y requieren una cantidad gigantesca de níquel y cobalto, elementos pesados que pueden ser tóxicos y plantear un problema medioambiental. En cambio, el cátodo del equipo de Chen contiene únicamente hierro (Fe) y cloro (Cl), elementos abundantes, asequibles y de uso generalizado que se encuentran en el acero y la sal de mesa.
En las pruebas iniciales, se comprobó que el FeCl3 funcionaba igual o mejor que otros cátodos mucho más caros. Por ejemplo, tiene un voltaje operativo más alto que el cátodo LiFePO4 (fosfato de hierro y litio, o LFP) más utilizado, que es la fuerza eléctrica que proporciona una batería cuando se conecta a un dispositivo, similar a la presión del agua de una manguera de jardín.
Esta tecnología podría tardar menos de cinco años en ser comercialmente viable en vehículos eléctricos. Por ahora, el equipo seguirá investigando el FeCl3 y los materiales relacionados, según Chen. El trabajo fue dirigido por Chen y el investigador posdoctoral Zhantao Liu (autor principal del estudio). Entre los colaboradores se encontraban investigadores de la Escuela Woodruff de Georgia Tech (Ting Zhu) y de la Escuela de Ciencias de la Tierra y la Atmósfera (Yuanzhi Tang), así como del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Jue Liu) y de la Universidad de Houston (Shuo Chen).
«Queremos perfeccionar los materiales lo máximo posible en el laboratorio y comprender los mecanismos de funcionamiento subyacentes», afirmó Chen. «Pero estamos abiertos a oportunidades para ampliar la tecnología y llevarla a aplicaciones comerciales».
