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MOTOR. Una nueva batería de iones de litio sin cobalto reduce los costes sin sacrificar el rendimiento


Durante décadas, los investigadores han buscado formas de eliminar el cobalto de las baterías de alta energía que alimentan los dispositivos electrónicos, debido a su alto costo y las ramificaciones de derechos humanos de su minería. Pero los intentos anteriores no han estado a la altura de los estándares de rendimiento de las baterías con cobalto.


Investigadores de la Escuela de Ingeniería Cockrell de la Universidad de Texas en Austin afirman que han descifrado el código de una batería de iones de litio de alta energía, eliminando el cobalto y abriendo la puerta a la reducción de los costes de producción de baterías, mientras aumentan su rendimiento. El equipo informó sobre una nueva clase de cátodos, el electrodo en una batería donde normalmente reside todo el cobalto, anclado por un alto contenido de níquel. El cátodo en su estudio es 89% de níquel. El manganeso y el aluminio constituyen los otros elementos clave. Los hallazgos aparecieron este mes en la revista Advanced Materials.

Más níquel en una batería significa que puede almacenar más energía. Esa mayor densidad de energía puede llevar a una mayor duración de la batería de un teléfono o un mayor alcance para un vehículo eléctrico con cada carga.
Por lo general, una mayor densidad de energía conduce a compensaciones, como un ciclo de vida más corto: la cantidad de veces que se puede cargar y descargar una batería antes de que pierda eficiencia y ya no se pueda cargar completamente. La eliminación del cobalto generalmente ralentiza la respuesta cinética de una batería y conduce a una capacidad de velocidad más baja: la rapidez con que se puede cargar o descargar el cátodo. Sin embargo, los investigadores dijeron que han superado el ciclo de vida corto y los problemas de capacidad de baja tasa al encontrar una combinación óptima de metales y asegurar una distribución uniforme de sus iones.
La mayoría de los cátodos para  usan combinaciones de iones metálicos, como el níquel-manganeso-cobalto (NMC) o el níquel-cobalto-aluminio (NCA). Los cátodos pueden representar aproximadamente la mitad de los costes de materiales para toda la batería, siendo el cobalto el elemento más caroA un precio de aproximadamente $ 28.500 por tonelada, es más costoso que el níquel, el manganeso y el aluminio juntos, y constituye del 10% al 30% de la mayoría de los cátodos de las baterías de iones de litio.
El cobalto es el componente menos abundante y más caro empleado en los cátodos de las baterías eléctricas. Por ello, se está investigando su completa eliminación sin pérdida de rendimiento.
La clave del avance de las investigaciones se puede encontrar a nivel atómico. Durante la síntesis industrial, se pudo garantizar que los iones de los diversos metales permanecieran distribuidos uniformemente a través de la estructura cristalina en el cátodoCuando estos iones se agrupan, el rendimiento se degrada y ese problema ha afectado a las baterías de alta energía sin cobalto anteriores. Al mantener los iones distribuidos uniformemente, los investigadores pudieron evitar la pérdida de rendimiento.
El objetivo es utilizar solo metales abundantes y asequibles para reemplazar el cobalto mientras se mantiene el rendimiento y la seguridad, y aprovechar los procesos de síntesis industrial que sean inmediatamente escalables.
La industria se ha lanzado al impulso sin cobalto, sobre todo por el esfuerzo de Tesla para eliminar este material de las baterías que alimentan sus vehículos eléctricos. Con grandes organizaciones gubernamentales y empresas privadas enfocadas en reducir la dependencia del cobalto, no es sorprendente que esta búsqueda se haya vuelto competitiva. Los investigadores dijeron que habían evitado problemas que obstaculizaban otros intentos de baterías de alta energía sin  con innovaciones en la combinación correcta de materiales y el control preciso de su distribución.
Aumentar la  y reducir el coste sin sacrificar la vida útil del ciclo, significa distancias de conducción más largas para vehículos eléctricos y una mayor  de ordenadores portátiles y teléfonos móviles.
Fuente: Wangda Li et al. High‐Nickel NMA: A Cobalt‐Free Alternative to NMC and NCA Cathodes for Lithium‐Ion Batteries, Advanced Materials (2020). DOI: 10.1002/adma.202002718
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