Las baterías de litio que habitualmente se utilizan tanto en dispositivos electrónicos como en vehículos eléctricos van perdiendo capacidad con el tiempo fruto de la degradación de su química. Sin embargo, también renuncian a parte de su capacidad inicial desde el primer ciclo de carga y descarga debido a las impurezas que se crean en este primer proceso. Un equipo liderado por el inventor de las baterías de litio recargable y Premio Nobel, Stanley Whittingham, ha encontrado una solución a este problema gracias a un revestimiento especial que protege las celdas contra esta pérdida.
Las impurezas que se crean en este primer ciclo afectan a los cátodos NMC (formados por níquel, manganeso y cobalto). Se producen porque son ricos en níquel, un componente clave para lograr la densidad energética que hoy en día ofrecen estas baterías. La pérdida de capacidad de almacenamiento puede legar a alcanzar entre un 10 y un 18 por ciento. Además, el níquel crea inestabilidades bajo la superficie, en el interior de la estructura del cátodo, que, con el tiempo, también comienzan a degradar la capacidad de almacenamiento de la batería.
El británico Stanley Whittingham ganó en 2019 ganó el Premio Nobel de Química, junto con otros dos científicos (el estadounidense John B. Goodenough y el japonés Akira Yoshino) por el desarrollo de la batería de iones de litio desde la década de 1970. Desde entonces, esta tecnología ha recorrido un largo camino que la ha ido mejorando hasta los actuales cátodos NMC 811 que contienen una gran cantidad de níquel, un 80% y un 10% de los otros dos componentes.
Gracias a los estudios de difracción con rayos X y neutrones, el equipo dirigido por Whittingham ha trabajado con un tratamiento químico experimental para el cátodo que utiliza óxido de niobio en lugar de litio, con el objetivo de eliminar las inestabilidades. "El empleo de neutrones permitió una mejor comprensión de cómo funciona el proceso de modificación del niobio", asegura el autor del estudio Hui Zhou. "Los datos de dispersión de neutrones sugieren que los átomos de niobio estabilizan la superficie reduciendo las pérdidas en el primer ciclo". A temperaturas más altas, los átomos de niobio empujan los átomos de manganeso hacia el interior del cátodo mejorando su capacidad de retención a largo plazo.
Con este tratamiento químico lograron reducir la pérdida de capacidad durante el primer ciclo de carga y descarga, lo que se traduce en un mejor rendimiento de la batería a largo plazo. A nivel de laboratorio, y tras 250 ciclos de carga y descarga, la retención de capacidad fue de un 93,2%. A nivel industrial, la introducción del niobio en los cátodos puede ser realizado en los mismos procesos de fabricación actuales que se emplean para fabricar los cátodos NMC811.
Whittingham ve un gran potencial a este nuevo diseño de la batería, especialmente en aplicaciones en las que la alta densidad de almacenamiento es una prioridad, como es el caso del transporte eléctrico. Los cátodos NMC 811 modificados con niobio se convierten un candidato para las baterías de los vehículos eléctricos. "La sustitución de átomos de manganeso por átomos de niobio para lograr un recubrimiento de este material, puede ser una mejor manera de aumentar la capacidad inicial y de evitar la degradación a largo plazo".
