El desarrollo de materiales catódicos a base de hierro representa un avance fundamental en la tecnología de baterías de iones de litio. Se trata de una alternativa más ecológica y económica a los cátodos tradicionales de cobalto y níquel. El hierro, que es abundante y barato, puede reducir considerablemente los costes de producción y el impacto ambiental.
El trabajo del equipo de la Universidad Estatal de Oregón muestra que con el hierro se pueden lograr mayores densidades de energía, convirtiéndolo en una solución prometedora para baterías más sostenibles y respetuosas con el medioambiente. Esto podría revolucionar la industria de los vehículos eléctricos y diversas aplicaciones de almacenamiento de energía.
Beneficios de los materiales catódicos basados en hierro
Las ventajas de los materiales catódicos a base de hierro son múltiples:
- Abundancia y bajo coste: el hierro es un material abundante y económico. Es el cuarto elemento más abundante de la Tierra, lo que reduce significativamente el coste de producción en comparación con materiales como el cobalto y el níquel.
- Menor impacto ambiental: la extracción y procesamiento del hierro tienen un impacto ambiental menor en comparación con el cobalto y el níquel, haciendo las baterías más ecológicas.
- Mayor seguridad: los materiales catódicos a base de hierro son menos propensos a problemas de sobrecalentamiento y otras cuestiones de seguridad asociadas con el cobalto y el níquel.
- Reducción de la escasez de recursos: al utilizar hierro, se mitigan los problemas de escasez de recursos críticos que afectan a los materiales tradicionales de cátodo.
- Estabilidad y rendimiento: los cátodos a base de hierro pueden alcanzar mayores densidades de energía, mejorando la eficiencia y el rendimiento de las baterías de iones de litio.
La innovación que presenta esta investigación se centra en solucionar el problema fundamental de las baterías actuales que está relacionado con la escasez de recursos y la seguridad que presentan materiales como el cobalto y el níquel.
Cátodos a base de hierro: el futuro de las baterías de iones de litio
Xiulei “David” Ji, codirector de la investigación, perteneciente a la Universidad Estatal de Oregón y responsable de la publicación en Science Advances espera que sus resultados desencadenen una revolución en las baterías.
Actualmente, el cátodo representa el 50% del coste de fabricación de una celda de batería de iones de litio. Además, los cátodos basados en hierro ofrecerían mayor seguridad y sostenibilidad. Según Ji, en unas pocas décadas, la escasez prevista de níquel y cobalto limitará la producción de baterías tal como se realiza actualmente.
La densidad de energía de esos elementos ya está alcanzando su límite. Un mayor incremento podría liberar oxígeno durante la carga, y causar incendios en las baterías. Además, el cobalto es tóxico, lo que significa que puede contaminar los ecosistemas y las fuentes de agua si se filtra desde los vertederos.
"Hemos transformado la reactividad del hierro metálico, el metal más económico", afirma Ji. “Nuestro electrodo puede ofrecer una mayor densidad de energía que los materiales catódicos de última generación en vehículos eléctricos. Y dado que utilizamos hierro, cuyo coste puede ser inferior a un dólar por kilogramo, una fracción de lo que cuesta el níquel y el cobalto, que son esenciales en las actuales baterías de iones de litio de alta energía, el precio de nuestras baterías podría ser mucho menor”.
Jugando con hierro para conseguir una revolución en las baterías
La colaboración entre diversas universidades y laboratorios ha logrado mejorar la reactividad del hierro en el cátodo al diseñar un entorno químico que incluye una mezcla de aniones de flúor y fosfato, iones con carga negativa.
Esta mezcla, combinada como una solución sólida de una fina combinación de polvo de hierro, fluoruro de litio y fosfato de litio en sales de hierro, posibilita la conversión reversible, es decir, la capacidad de recargar la batería.
Ji explica que, junto al polvo de hierro, no se ha utilizado sal más cara sino la misma que se emplea en la industria de las baterías. Para implementar este nuevo cátodo en aplicaciones reales no es necesario modificar nada: ni nuevos ánodos, ni nuevas líneas de producción, ni ningún nuevo diseño de la batería. Solamente se reemplaza el cátodo.
Por ahora, no toda la electricidad que se introduce en la batería durante la carga está disponible para su uso al descargarla por lo que todavía es necesario mejorar la eficiencia del almacenamiento. Ji espera que cuando se realicen esas mejoras, el resultado sea una batería que funcione mucho mejor que las que se utilizan actualmente, que cueste menos y que sea más ecológica.
"Si se invierte en esta tecnología, no debería pasar mucho tiempo antes de que esté disponible comercialmente", termina diciendo Ji, por lo que “necesitamos que los visionarios de la industria asignen recursos a este campo emergente”. A raíz de este trabajo, los cátodos a base de hierro están preparados para desempeñar un papel fundamental en el futuro de los vehículos eléctricos y el almacenamiento de energía renovable, impulsando una industria de baterías más sostenible y rentable.
