Un nuevo cátodo basado en hierro promete triplicar la densidad energética de las baterías de litio

Una colaboración entre un equipo de científicos de la Universidad de Maryland (UMD), el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. y el Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos, ha desarrollado y estudiado un nuevo material para el cátodo de las baterías de litio que indican podría triplicar la densidad de energía de las baterías actuales.

La clave de este diseño es la sustitución del grafito del cátodo por hierro. Una opción que limita la densidad energética pero que ha sido la solución más utilizada hasta el momento por su relación de durabilidad y coste. Pero con el nuevo material indican que se logrará triplicar la propia densidad energética, superando uno de los grandes retos del uso de hierro, la durabilidad.

Los científicos han sintetizado un nuevo material para el cátodo. Una forma modificada de trifluoruro de hierro (FeF3), que se compone de elementos económicos, fácilmente extraibles, y con poco impacto ambiental como son el hierro y el flúor.

Según Enyuan Hu, químico del Laboratorio Brookhaven y uno de los principales autores del artículo: «los materiales que normalmente se usan en las baterías de litio se basan en una química de intercalación. Este tipo de reacción química es muy eficiente; sin embargo, solo transfiere un solo electrón, por lo que la capacidad del cátodo es limitada. Algunos compuestos como FeF3 son capaces de transferir múltiples electrones a través de un mecanismo de reacción más complejo, llamado reacción de conversión «.

Este tipo de tecnología se conoce desde la década de los 70, pero numerosas dificultades técnicas aparentemente insuperables (entre otras, su pérdida de capacidad tras unos pocos ciclos de carga) llevaron a un estancamiento en su investigación durante los años 80. Sin embargo, la observación minuciosa de los procesos de carga y descarga han llevado a una mejor comprensión del funcionamiento de esta tecnología y de las posibles soluciones a los problemas que presenta.

Tres eran los retos a superar por esta tecnología: una baja eficiencia energética (histéresis); una velocidad de reacción lenta; y reacciones secundarias que pueden causar una corta vida útil. Para superar estos desafíos, los científicos agregaron átomos de cobalto y oxígeno a nanohilos FeF3 a través de un proceso llamado sustitución química. Esto permitió a los científicos manipular la vía de reacción y hacerla más ‘reversible’.

Cuando los iones de litio se insertan en FeF3, el material se convierte en hierro y fluoruro de litio. Sin embargo, la reacción no es completamente reversible. Después de sustituir con cobalto y oxígeno, el marco principal del material del cátodo se mantiene mejor y la reacción se vuelve más reversible.

El potencial es enorme. Por ejemplo podemos ver que la densidad volumétrica de una batería de iones de litio ronda los 2.000 Wh/l, mientras que las de litio-aire, mucho más costosas y difíciles de implementar que las de hierro-aire, llegan a los 6.000 Wh/l. Las de hierro-aire alcanzan la cifra 9.700 Wh/l, una cifra muy elevada que permitiría a los coches eléctricos conseguir autonomías similares a las de uno de combustión. Además, su ahorro de espacio serviría para facilitar el diseño de las plataformas, a día de hoy muy condicionadas por la situación de las baterías.

Un nuevo avance que como siempre se ha logrado en laboratorio, pero que abre posibilidades de desarrollo de nuevas baterías no sólo más capaces, sino más económicas y más sostenibles de producir y reciclar.

Vía | Materialstoday