Las baterías recargables fiables y de alta capacidad son un componente fundamental de todos los dispositivos móviles y también de los vehículos eléctricos, por lo que desempeñan un papel clave en la transición hacia un mundo más verde. En su producción se utiliza una amplia variedad de elementos, entre ellos el cobalto, cuya producción provoca algunos problemas ambientales, económicos y sociales.
Por primera vez, un equipo, en el que se incluyen investigadores de la Universidad de Tokio, ha presentado una alternativa viable al cobalto que mejora la química de las baterías de última generación, sobreviviendo a múltiples ciclos de carga y descarga sin perder capacidad.
La popularización de las baterías de litio y sus problemas
Desde hace décadas, las baterías de iones de litio se han utilizado como la tecnología estándar para alimentar máquinas y dispositivos electrónicos portátiles o móviles. Desde hace 10 años, cuando la industria del automóvil ha comenzado su proceso de abandono de los combustibles fósiles, se han convertido en el componente más importante y controvertido de los vehículos eléctricos y también en los sistemas industriales de almacenamiento de energía y en las instalaciones eléctricas que aprovechan la energía solar.
Aunque, entre las disponibles, es una de las fuentes de energía con mayor densidad de energía, la industria necesita incrementarla puesto que las máquinas eléctricas que han de alimentar van aumentando paulatinamente sus exigencias. Además, aunque son capaces de soportar una gran cantidad de ciclos de recarga, no es posible evitar la degradación con el tiempo. La industria busca baterías que puedan sobrevivir a más ciclos de recarga y mantengan su capacidad durante más tiempo. A este problema se une otro, quizás más alarmante, que reside en uno de los elementos utilizados para su fabricación.
El cobalto, uno de los grandes hándicaps de las baterías de litio
El cobalto es utilizado ampliamente en uno de los componentes clave de las baterías de litio: los electrodos. Todas las baterías funcionan de manera similar: dos electrodos, uno positivo y otro negativo, entre los que fluyen los iones de litio atravesando el electrolito cuando se conectan a un circuito externo. El cobalto, sin embargo, es un elemento raro. Tanto, que en la actualidad sólo existe una fuente principal: una serie de minas ubicadas en la República Democrática del Congo.
A lo largo de los años se han puesto de manifiesto las consecuencias ambientales de estas minas y sus condiciones laborales, incluida la mano de obra infantil. Además, desde la perspectiva de la oferta, el cobalto es un problema debido a la inestabilidad política y económica en la región.
La nueva batería sin cobalto
"Hay muchas razones por las que queremos dejar de utilizar cobalto para mejorar las baterías de iones de litio", afirma el profesor Atsuo Yamada del Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos de la Universidad de Tokio. “Para nosotros, el desafío es técnico, pero su impacto podría ser ambiental, económico, social y tecnológico. Nos complace informar sobre una nueva alternativa al cobalto mediante el uso de una novedosa combinación de elementos en los electrodos, incluidos litio, níquel, manganeso, silicio y oxígeno, todos ellos elementos mucho más comunes y menos problemáticos de producir y trabajar”.
Los nuevos electrodos y electrolitos creados por Yamada y su equipo no sólo carecen de cobalto, sino que mejoran, en algunos aspectos, la química de las baterías actuales. Su densidad de energía es aproximadamente un 60% mayor, lo que podría equivaler a una vida útil más larga, y pueden funcionar a 4,4 voltios, a diferencia de aproximadamente 3,2-3,7 voltios de las celdas de litio habituales.
Además, uno de los logros más sorprendentes fue la mejora de las características de recarga. Con la nueva química, soportaron más de 1.000 ciclos (equivalentes a tres años de uso y carga completos) en los que solo perdieron alrededor del 20% de su capacidad de almacenamiento.
“Llegar hasta aquí no ha estado exento de desafíos. Logramos suprimir varias reacciones indeseables que estaban teniendo lugar en las primeras versiones de nuestras nuevas químicas de baterías que podrían haber reducido drásticamente la longevidad de las baterías”, explica Yamada. “Y todavía nos queda mucho camino por recorrer, ya que persisten reacciones menores que debemos mitigar para mejorar aún más la seguridad y la longevidad. Actualmente, confiamos en que esta investigación conducirá a baterías mejoradas para muchas aplicaciones, pero algunas, donde se requiere durabilidad y vida útil extremas, pueden no estar satisfechas todavía”.
