Las baterías libres de cobalto podrían impulsar los autos del futuro.

20 de enero de 2024

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por Anne Trafton, Massachusetts Institute of Technology

Muchos vehículos eléctricos funcionan con baterías que contienen cobalto, un metal que conlleva altos costos financieros, ambientales y sociales.

Investigadores del MIT han diseñado un material para baterías que podría ofrecer una forma más sostenible de alimentar los automóviles eléctricos. La nueva batería de iones de litio incluye un cátodo basado en materiales orgánicos, en lugar de cobalto o níquel (otro metal que a menudo se utiliza en las baterías de iones de litio).

En un nuevo estudio, los investigadores demostraron que este material, que podría producirse a un costo mucho menor que las baterías que contienen cobalto, puede conducir electricidad a tasas similares a las baterías de cobalto. Además, la nueva batería tiene una capacidad de almacenamiento comparable y se puede cargar más rápido que las baterías de cobalto, según informan los investigadores.

"Creo que este material podría tener un gran impacto porque funciona realmente bien", dice Mircea Dincă, el profesor de energía W.M. Keck del MIT. "Ya es competitivo con las tecnologías existentes y puede ahorrar mucho del costo y los problemas ambientales relacionados con la minería de los metales que actualmente se utilizan en las baterías".

Dincă es el autor principal del estudio, que se publica hoy (18 de enero) en la revista ACS Central Science. Tianyang Chen, Ph.D. '23 y Harish Banda, un ex becario postdoctoral del MIT, son los autores principales del artículo. Otros autores incluyen a Jiande Wang, un becario postdoctoral del MIT; Julius Oppenheim, un estudiante de posgrado del MIT; y Alessandro Franceschi, un investigador en la Universidad de Bolonia.

La mayoría de los automóviles eléctricos funcionan con baterías de iones de litio, un tipo de batería que se recarga cuando los iones de litio fluyen desde un electrodo cargado positivamente, llamado cátodo, hasta un electrodo cargado negativamente, llamado ánodo. En la mayoría de las baterías de iones de litio, el cátodo contiene cobalto, un metal que ofrece alta estabilidad y densidad de energía.

Sin embargo, el cobalto tiene desventajas significativas. Como metal escaso, su precio puede variar drásticamente y gran parte de los depósitos mundiales de cobalto se encuentran en países políticamente inestables. La extracción de cobalto crea condiciones de trabajo peligrosas y genera residuos tóxicos que contaminan la tierra, el aire y el agua que rodea las minas.

"Las baterías de cobalto pueden almacenar mucha energía y tienen todas las características que las personas consideran importantes en términos de rendimiento, pero tienen el problema de no estar ampliamente disponibles y el costo fluctúa ampliamente con los precios de los productos básicos. Y a medida que se transita a una proporción mucho mayor de vehículos electrificados en el mercado de consumo, ciertamente se va a encarecer", dice Dincă.

Debido a las muchas desventajas del cobalto, se ha investigado mucho para desarrollar materiales alternativos para baterías. Uno de esos materiales es el fosfato de litio y hierro (LFP), que algunos fabricantes de automóviles están empezando a utilizar en vehículos eléctricos. Aunque prácticamente útil, el LFP tiene solo aproximadamente la mitad de la densidad de energía de las baterías de cobalto y níquel.

Otra opción atractiva son los materiales orgánicos, pero hasta ahora la mayoría de estos materiales no han podido igualar la conductividad, capacidad de almacenamiento y vida útil de las baterías que contienen cobalto. Debido a su baja conductividad, dichos materiales suelen necesitar mezclarse con aglutinantes como polímeros, que les ayudan a mantener una red conductora. Estos aglutinantes, que constituyen al menos el 50 por ciento del material en general, reducen la capacidad de almacenamiento de la batería.

Hace unos seis años, el laboratorio de Dincă comenzó a trabajar en un proyecto, financiado por Lamborghini, para desarrollar una batería orgánica que pudiera usarse para alimentar automóviles eléctricos. Mientras trabajaban en materiales porosos que eran en parte orgánicos y en parte inorgánicos, Dincă y sus estudiantes se dieron cuenta de que un material completamente orgánico que habían creado parecía ser un buen conductor.

Este material consiste en muchas capas de TAQ (bis-tetraaminobenzoquinona), una pequeña molécula orgánica que contiene tres anillos hexagonales fusionados. Estas capas pueden extenderse en todas las direcciones, formando una estructura similar al grafito. Dentro de las moléculas hay grupos químicos llamados quinonas, que son los depósitos de electrones, y aminas, que ayudan al material a formar fuertes enlaces de hidrógeno.

Esos enlaces de hidrógeno hacen que el material sea altamente estable y también muy insoluble. Esa insolubilidad es importante porque evita que el material se disuelva en el electrolito de la batería, como lo hacen algunos materiales orgánicos para baterías, lo que prolonga su vida útil.

'One of the main methods of degradation for organic materials is that they simply dissolve into the battery electrolyte and cross over to the other side of the battery, essentially creating a short circuit. If you make the material completely insoluble, that process doesn't happen, so we can go to over 2,000 charge cycles with minimal degradation,' Dincă says.

Tests of this material showed that its conductivity and storage capacity were comparable to that of traditional cobalt-containing batteries. Also, batteries with a TAQ cathode can be charged and discharged faster than existing batteries, which could speed up the charging rate for electric vehicles.

To stabilize the organic material and increase its ability to adhere to the battery's current collector, which is made of copper or aluminum, the researchers added filler materials such as cellulose and rubber. These fillers make up less than one-tenth of the overall cathode composite, so they don't significantly reduce the battery's storage capacity.

These fillers also extend the lifetime of the battery cathode by preventing it from cracking when lithium ions flow into the cathode as the battery charges.

The primary materials needed to manufacture this type of cathode are a quinone precursor and an amine precursor, which are already commercially available and produced in large quantities as commodity chemicals. The researchers estimate that the material cost of assembling these organic batteries could be about one-third to one-half the cost of cobalt batteries.

Lamborghini has licensed the patent on the technology. Dincă's lab plans to continue developing alternative battery materials and is exploring possible replacement of lithium with sodium or magnesium, which are cheaper and more abundant than lithium.

Journal information: ACS Central Science

Provided by Massachusetts Institute of Technology

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.