Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Argonne, de Estados Unidos, ha desarrollado un nuevo enfoque para la composición química de los cátodos de las celdas de iones de litio sin presencia de cobalto. El desarrollo de esta propuesta reduciría la dependencia de la industria de este material que es caro y cuya extracción está ligada a procesos mineros manuales de dudosa legitimidad.
El cobalto es un ingrediente clave en las baterías para coches eléctricos. Sin embargo, el precio del metal se ha disparado con la expansión del mercado de la movilidad eléctrica. La República Democrática del Congo es el principal proveedor de cobalto, ya que posee el 60% de los recursos de cobalto del mundo. La industria de las baterías y los propios fabricantes de vehículos eléctricos están buscando, a través de sus programas de I+D, eliminar este componente que se incluye en el cátodo de las celdas y poco a poco ha ido logrando reducirlo, a cambio de incrementar los porcentajes de otros materiales como el níquel.
El Laboratorio Nacional de Argonne, es una de las instituciones más importantes de Estados Unidos que, entre otras áreas, está centrado en la investigación sobre sistemas de almacenamiento de energía, energías renovables y sostenibilidad ambiental. En un artículo publicado en el Journal of Power Sources se describe su enfoque para eliminar el cobalto de la composición química del cátodo, solucionando algunos de los problemas que conllevan otros enfoques en los que el cátodo se reduce todo lo posible, pero no se elimina completamente de la composición, como por ejemplo es la tecnología NCM 811 con un 80% de níquel, un 10% de cobalto y un 10% de manganeso.
La industria de las baterías de iones de litio se basa actualmente en cátodos NCM intercalados en capas. Cada uno de estos materiales tiene sus ventajas y sus inconvenientes. Así, mientras cobalto es un material escaso y relativamente tóxico ya que se vuelve metálico al cargarse, lo que lo hace medioambientalmente delicado, el manganeso es un material abundante, medioambientalmente benigno, pero poco conductor. El tercero de los materiales, el níquel, exhibe unas características que están a medio camino entre el manganeso y el cobalto.
Para aprovechar al máximo las cualidades de cada uno de ellos, la industria utiliza una combinación de los tres en la que la fracción de cobalto sea lo más reducida posible o eliminarla por completo, a cambio de aumentar la proporción del níquel. Sin embargo, los cátodos de litio ricos en níquel sufren algunos problemas graves que interfieren en las cualidades que se les exigen a las baterías para los vehículos eléctricos. Estas deben albergar una envolverte de requisitos técnicos imprescindibles que son aportados por sus componentes químicos.
En primer lugar deben cumplir los requisitos de seguridad más estrictos para evitar posibles explosiones, sobrecalentamientos e incendios. También se les pide 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.
En las celdas de baterías ricas en níquel se citan inconvenientes como el desvanecimiento de la capacidad energética, la inestabilidad térmica y la reactividad al aire. Esta última es provocada por una serie de transiciones de fase que causan tensión interna y alta reactividad superficial.
Debido a estos inconvenientes, el equipo de Argonne sugiere modificar el prototipo de óxido en capas eliminando el cobalto, con la forma LiNi0,5 Mn0,5 O2 para evitar que la seguridad, el ciclo de vida y el coste sigan siendo barreras críticas como ocurre todavía con la tecnología NCM con un porcentaje reducido de cobalto.