Un equipo de investigadores de varias instituciones de Estados Unidos ha identificado las causas por las que se produce la degradación de los materiales del cátodo rico en níquel, conocidos como NCM, que se usan en las baterías de litio. Las soluciones que se plantean para este problema pueden llevar al desarrollo de baterías más asequibles y a mejorar el rendimiento de los vehículos eléctricos.

En el equipo de científicos se incluyen investigadores del Departamento Nacional de Energía de Estados Unidos (DOE), el laboratorio Nacional de Brookhaven y el Laboratorio Nacional del Accelerator (SLAC) y la investigación ha sido publicada por la revista Advanced Functional Materials.

¿Por qué baterías NCM?

Las baterías están compuestas por un ánodo, un cátodo y un electrolito, pero para muchos científicos el cátodo es el desafío más urgente. Para el caso de los vehículos eléctricos, las baterías deben cumplir una serie de requisitos técnicos imprescindibles. Entre ellos una alta densidad energética, una alta densidad de potencia y un elevado número de ciclos de carga y descarga que aseguren una larga vida útil. Todos ellos deben influyen en el coste de la batería que, por otro lado, debe reducirse para lograr un coche eléctrico asequible.

El rendimiento de las baterías está estrechamente relacionado con las propiedades de los materiales que forman el cátodo. Actualmente son muy utilizados los formados por capas de níquel, manganeso y cobalto (NMC), porque son relativamente fáciles de sintetizar, pero también porque tienen una alta capacidad y densidad de energía. Esto se debe al equilibrio entre sus propiedades de reversibilidad y bajo coste, en comparación con los materiales de uso común de óxido de litio y cobalto (LiCoO₂) . 

El óxido de litio y cobalto es un material en capas que se ha utilizado como cátodo para baterías de iones de litio durante muchos años. A pesar de buen resultado en su aplicación en sistemas de almacenamiento de energía pequeños, como la electrónica portátil, el coste y la toxicidad del cobalto son barreras para su uso en sistemas más grandes. Muchas investigaciones se dirigen a reemplazar el cobalto por elementos más seguros y asequibles, como el níquel, sin comprometer el rendimiento del material.

Entre las familias de NMC existen diferentes proporciones entre los tres materiales. Los que incluyen un alto contenido de níquel se han convertido en el foco de la investigación actual debido a la mejora que aportan en la capacidad específica de las baterías.

Sin embargo, los cátodos NMC, sometidos a altos voltajes, son más inestables cuanto más alto es el porcentaje de níquel, degradándose muy rápidamente. Para su uso en vehículos eléctricos se necesitan potencias elevadas y una alta densidad de energía para ofrecer una de aceleración óptima y autonomía suficiente, lo que les obliga a operar a altos voltajes. Esta es la razón por la que la investigación se centró en el estudio del mecanismo por el que se degradan los cátodos NMC ricos en níquel en estas condiciones.

La investigación

El problema es que los materiales en capas y ricos en níquel comienzan a degradarse tras de múltiples ciclos de carga y descarga. El objetivo de la investigación fue identificar la causa de esta degradación y ofrecer posibles soluciones para evitarla.

Los materiales catódicos se degradan de varias formas. En el caso de los materiales ricos en níquel, el problema está principalmente en el desvanecimiento de la capacidad, la reducción en la capacidad de carga y descarga de la batería después del uso. Para comprender completamente este proceso los científicos necesitaron utilizar múltiples técnicas de investigación para evaluar el material desde diferentes ángulos.

La demanda de cobalto para baterías superará la oferta.

“Necesitábamos comprender cómo cambiaba la estructura del material durante el proceso de carga y descarga a escala atómica tanto física como químicamente, lo que involucraba a múltiples elementos: níquel, cobalto, manganeso, oxígeno y litio” explica Enyuan Hu, uno de científicos del equipo.

Los resultados de los experimentos llevaron a los investigadores a concluir que el material tiene una estructura robusta que no libera el oxígeno, que era la razón que inicialmente se creía que causaba la degradación. El uso de ordenadores de alta capacidad de procesamiento permitió analizar los datos de varios de los experimentos que se realizaron a continuación, utilizando un software de aprendizaje automático, capaz de detectar por sí mismo donde se localizaban los efectos más problemáticos lo que permitió guiar el análisis final.

La principal conclusión que se extrajo del experimento fue que los estados de oxidación de los átomos de níquel en toda la partícula no eran homogéneos. Una parte del níquel dentro de la partícula se mantuvo en estado oxidado, y probablemente desactivado, mientras que el níquel en la superficie se redujo irreversiblemente, disminuyendo su eficiencia. Experimentos adicionales revelaron pequeñas grietas formadas dentro de la estructura del material.

Posibles soluciones

Durante el proceso de carga y descarga de una batería, el cátodo se expande y se contrae, creando estrés en los materiales que lo componen. Si esa tensión no puede liberarse de manera eficiente, pueden producirse grietas.

Los científicos creen que este problema se podría mitigar sintetizando un nuevo material con una estructura hueca. A nivel teórico, los resultados del cálculo afirman que esta solución podría resolver el problema. A nivel de laboratorio, se confirmó esta teoría de forma experimental,. En el futuro, el equipo planea continuar desarrollando y caracterizando nuevos materiales para mejorar su eficiencia.

Este estudio fue apoyado por la National Science Foundation y la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE. Los investigadores de Brookhaven forman parte de un consorcio patrocinado por el DOE llamado Battery500, un grupo que está trabajando para triplicar la densidad de energía de las baterías que impulsan los vehículos eléctricos de hoy. Uno de sus objetivos es optimizar los materiales de cátodos en capas ricos en níquel.