Una nueva investigación busca hacer más sostenible la fabricación de baterías para vehículos eléctricos eliminando de sus componentes los metales escasos, y sustituyéndolos por materiales orgánicos. El resultado obtenido por el equipo de la Universidad de Houston no es solo prometedor para proteger el medioambiente, sino que también eleva la densidad energética de las baterías, puesto que el cátodo creado a partir de estos materiales se implementa en una batería de electrolito sólido.
Sea cual sea la tecnología que se emplee en las baterías actuales, su fabricación tiene un gran impacto ambiental debido a que exige la extracción de los metales que las forman. Al frente y en el centro de este dilema está el cobalto, cuya extracción no solo está asociada con la degradación ambiental y la contaminación de los suministros de agua, sino que también atrae problemas éticos como el trabajo infantil. El uso de estos metales dificulta también el reciclaje de las baterías al final de su vida útil.
Por eso, el punto de partida de la investigación fue desarrollar una batería construida a partir de elementos orgánicos que se encuentran comúnmente en la naturaleza. El dispositivo creado en condiciones de laboratorio combina esta arquitectura orgánica con otra tecnología prometedora en la investigación de baterías: el uso de electrolitos en estado sólido. En las baterías convencionales las cargas eléctricas se mueven entre los dos electrodos, el cátodo y el ánodo, a través de un electrolito líquido que los investigadores tratan de eliminar para emplear uno sólido. Este tipo de arquitectura podría permitir que las baterías funcionen con un ánodo de metal de litio, que podría almacenar hasta 10 veces más energía de los dispositivos actuales.
Ese ha sido el objetivo de esta investigación: el desarrollo de materiales abundantes en la tierra y de bajo coste para crear un cátodo orgánico sin cobalto, para que forme parte de una batería de estado sólido que no requiera de los escasos metales de transición que se encuentran en las minas.
Los investigadores pudieron aumentar la densidad de energía de una batería de estado sólido de base orgánica utilizando como disolvente el etanol. para alterar su microestructura.
El equipo de la Universidad de Houston ha resuelto una de las limitaciones clave de las baterías de litio de estado sólido con base orgánica. Mientras que los cátodos a base de cobalto proporcionan una alta densidad de energía, en las fabricadas con materiales orgánicos esta es muy limitada, debido a las estructuras microscópicas existentes dentro del cátodo. Jibo Zhang, el autor del estudio publicado en la revista Joule, explica que los cátodos a base de cobalto a menudo se ven favorecidos porque su microestructura natural es de por sí ideal. Sin embargo, "crearla ad hoc en una batería de estado sólido de base orgánica es un gran desafío".
El equipo ha trabajado con un cátodo de material orgánico llamado pireno-4,5,9,10-tetraona (PTO), y con etanol como solvente para alterar su microestructura. Este tratamiento dio como resultado una nueva disposición que permitió un mejor transporte de los iones dentro del cátodo y aumentó su densidad energética a 302 Wh/kg, lo que supone un 83% más que la de las baterías de estado sólido de última generación creadas con cátodos orgánicos.
"Esta investigación es un paso adelante para en el aumento de la densidad de energía de la batería de los vehículos eléctricos utilizando una alternativa más sostenible", asegura Yao.
