Un equipo de investigadores alemanes y chinos han logrado crear un nuevo material para el ánodo de las baterías de los coches eléctricos que promete mejorar su densidad de energía y potencia, la velocidad de carga, la seguridad y la vida útil. El responsables de lograr este alto rendimiento es el titanato de litio y el lantano, embebido en una estructura de cristal de perovskita (LLTO), que gracias a un tamaño de partícula más grande permite también la fabricación de electrodos más simples y rentables.

Los ánodos de las baterías de iones de litio constan de un colector de corriente sobre el que se aplica un material activo que almacena energía en forma de enlaces químicos. En la mayoría de los casos, ese material es grafito. Uno de los inconvenientes de esta solución es que los electrodos negativos fabricados en grafito tienen una tasa de carga muy baja, además de dar lugar a algunos problemas de seguridad. Entre los materiales activos alternativos, el óxido de titanato de litio (LTO) ya ha sido utilizado en muchas ocasiones como un materia comercial.

Gracias al LTO, los ánodos ofrecen tasas de carga más altas y ganan en seguridad respecto a los que emplean grafito. Pero mantienen todavía un inconveniente esencial en este tipo de dispositivos que es su baja densidad de energía.

Ante este problema, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) de la Universidad de Jilin en Changchun (China) y de otros institutos de investigación, dirigido por el profesor Helmut Ehrenberg, del KIT, ha investigado el empleo de otro material de ánodo muy prometedor: el titanato de litio y lantano con una estructura cristalina de perovskita (LLTO).

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Representación esquemática de la estructura cristalina de perovskita del titanato de litio y lantano. Ilustración: Fei Du / Universidad de Jilin.

Según el estudio, los ánodos LLTO tienen un potencial de electrodo inferior al de los LTO, lo que permite un voltaje de celda más elevado y como consecuencia una mayor capacidad energética. El voltaje de la celda y la capacidad de almacenamiento determinan en última instancia la densidad de energía de una batería. En el futuro, los ánodos LLTO podrían usarse para celdas de alto rendimiento muy seguras y con un ciclo de vida prolongado, asegura Ehrenberg.

Además de la densidad de energía, la densidad de potencia, la seguridad y la vida útil de vida, la tasa de carga es otro factor determinante para la idoneidad de una batería que cuyo fin sean las aplicaciones exigentes, como las de los vehículos eléctricos. Según el principio físico y químico que rige su comportamiento, la corriente de descarga máxima y el tiempo de carga mínimo dependen del transporte de los iones y los electrones tanto dentro del cuerpo sólido como en las interfaces entre el electrodo y los materiales del electrolito.

Para mejorar la velocidad de carga, una de las prácticas más comunes es reducir el tamaño de partícula del material del electrodo de la micro a la nanoescala. El estudio muestra que incluso las partículas de LTTO de unos pocos micrómetros de tamaño, con estructura de perovskita, presentan una mayor densidad de potencia y una mejor velocidad de carga que las nanopartículas LTO.

Según el equipo de investigación esta característica se atribuye a que no solo los electrones individuales están unidos a este material del ánodo, sino también los iones cargados, que están unidos por fuerzas débiles y pueden transferir cargas de manera reversible al ánodo. “Gracias a que las partículas son más grandes, el LLTO permite procesos de fabricación de electrodos más simples y rentables”, asegura Ehrenberg.