Todo sobre las nuevas baterías con cátodo monocristalino

Con el incremento de coches eléctricos, existe una necesidad creciente de dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica. Para poder cumplir con esta necesidad, serán cruciales las baterías de iones de litio de última generación que emplean materiales para el cátodo de alta energía. Dentro de los diversos tipos de materiales para cátodo, unos de los más prometedores son los óxidos laminados ricos en litio y manganeso (LMLOs), esto es debido a su alta capacidad y a su bajo coste.

Tradicionalmente, los materiales utilizados para los catados de las baterías son LMLOs policristalinos (LMLO-PC). Un policristal está formado por diversos cristales individuales más pequeños con orientaciones aleatorias, denominados granos o cristalitos. Aunque esta microestructura estimula la difusión de los iones de litio dentro de los materiales de la batería, se trata de una estructura propensa a degradarse rápidamente a causa del estrés mecánico que sufre durante la operación de la batería, hecho que dificulta seriamente su aplicación práctica.

Los cátodos con óxido laminado rico en litio y manganeso con estructura monocristalina (LMLOs-SC) tienen una reacción de intercambio de litio/sodio. Se trata de un tipo de reacción química en la cual una sustancia que contiene sodio reacciona con disoluciones que contienen sal de litio. De esta manera, los iones de sodio son sustituidos por iones de litio presentes en la disolución. Lo que se consigue con este método es que el material de litio que se obtiene posea una estructura cristalográfica, una morfología de las partículas y un tamaño similares a su análogo de sodio.

Con una estructura monocristalina los electrodos mantienen una conductividad iónica razonablemente alta a la vez que son extremadamente estables con respecto al estrés mecánico interno, comparado con el mismo material de estructura policristalina. Como resultado, las baterías basadas en este nuevo material pueden operar durante muchos más ciclos de carga/descarga que las baterías tradicionales sin una pérdida de capacidad notable.

Uno de los principales fabricantes de baterías, LG Chem, ha anunciado el inicio de la producción en masa de cátodos monocristalinos con alto contenido de níquel.

Según LG Chem, la implementación de cátodos monocristalinos podría aumentar la vida útil de la batería en más del 30 % y aumentar la capacidad en un 10 % o más.

En las etapas iniciales, LG Chem utilizará una mezcla de materiales de cátodos monocristalinos y cátodos convencionales en una proporción de 2:8. Con el tiempo, la compañía tiene la intención de hacer una transición gradual hacia la utilización exclusiva de materiales de cátodos monocristalinos. LG Chem planea ampliar la aplicación de estos cátodos a las baterías de próxima generación, incluidas las celdas cilíndricas 4680 y las baterías tipo bolsa ya existentes.

También Tesla esta detrás de esta nueva química para las baterías.

Las nuevas celdas de batería de Tesla utilizarán un cátodo monocristalino exento de cobalto dopado con tungsteno que elevan el rendimiento y aumentan los ciclos de carga y descarga, proporcionando una mayor vida útil.

Tesla está desarrollando un nuevo cátodo monocristalino que no contiene cobalto. En una celda ternaria NMC (compuesta por níquel, manganeso y cobalto), los electrodos monocristalinos tienen ciclos de vida más largos que los policristalinos. La razón es que estos últimos desarrollan microfisuras, lo que reduce significativamente la vida de la celda. Los materiales monocristalinos muestran muy poca presencia de microfisuras, incluso después de más de 1.000 ciclos de carga y descarga.

Sin embargo, uno de sus inconvenientes es que son muy caros, llegando a representar el 76% del coste total de la celda y el 55% del paquete de baterías, lo que supone una barrera para su implementación a escala comercial. Por eso Tesla quiere eliminar el costoso cobalto de su química.

El resultado es un material para el cátodo formado por un óxido en capas de cristal único sin cobalto, conocido como NM64, porque en su composición entra un 60% de níquel y un 40% de manganeso. Esto significa que, frente a la química NMC 811, que utiliza Tesla actualmente, se reduce el níquel del 80% al 60%, aumentando el manganeso, lo que también repercute en una reducción todavía mayor del coste.

Según los resultados que se han obtenido de la investigación, la celda tiene una excelente estabilidad a voltajes elevados de hasta 4,4 voltios. El estudio también demuestra que agregar un recubrimiento de tungsteno al 0,3% al cátodo mejora la estabilidad del ciclado.

El nuevo material del cátodo es fácil de producir y las instalaciones de fabricación comerciales actuales pueden adoptar el proceso con relativa facilidad. Además, el cátodo monocristalino NM64 se genera mediante un simple proceso de síntesis, completamente seco, que no requiere agua ni productos químicos intermedios y, además, produce pocos desechos. Una diferencia fundamental con las nuevas celdas 4680 y el proceso de electrodo seco desarrollado por Tesla para ellas, que tanto complica su fabricación. Esto debería reducir la complejidad, el coste y el tiempo necesarios para fabricar el cátodo.