Así es el cátodo de diseño de gradiente dual que puede llevar a las baterías de coches eléctricos a un nuevo nivel

Las marcas siguen desarrollando nuevas baterías para coches eléctricos que permitan mejorar las autonomías, los tiempos de carga y su seguridad. Sin embargo, detrás de este trabajo, hay otro de enorme valor en los laboratorios, donde se investigan nuevas fórmulas, composiciones y estructuras internas para las baterías que mejoren aún más su rendimiento.

Estas investigaciones han sido siempre claves para lograr que los coches eléctricos mejoren sus prestaciones, en todos los sentidos. Un trabajo que parece invisible, pero que se terminan traduciendo en enormes mejoras con el paso de los años. Para este último avance, tenemos que viajar hasta el Laboratorio Nacional Argonne, al otro lado del charco. Sus investigadores se han pasado más de una década desarrollando un material de cátodo (electrodo positivo en una batería) novedoso que permite optimizar el rendimiento y la estabilidad, además de reducir costes.

El anuncio es directo: esta nueva tecnología de baterías para coches eléctricos conserva el 98% de su capacidad después de 500 ciclos de carga, y eso lo consigue gracias al innovador diseño del cátodo. Todo comenzó ajustando la composición de níquel, manganeso y cobalto en las partículas del cátodo de una tradicional batería de iones de litio.

Gracias a una configuración de «gradiente de composición», se logró reducir la concentración de níquel de forma progresiva: más en el núcleo, menos hacia la superficie de la partícula. Esto permite, entre otras cosas, construir baterías más compactas y económicas, pero a la vez se mantiene un alto nivel de densidad energética en operaciones de altos voltajes.

Los investigadores pusieron el foco precisamente en la necesidad de que las baterías, más allá de tener autonomías elevadas, puedan operar a voltajes más altos, entre otras cosas también para favorecer cargas más rápidas. Todo ello, claro, sin que la seguridad o la vida útil se vean comprometidas, ya que a mayor reactividad con el electrolito, mayor degradación se produce. Si bien las partículas de cátodo tienen una estructura en capas, lo que permite el viaje de los iones de litio entre los electrodos para funcionar, en el laboratorio Argonne se dio un paso más.

Esto consistió en crear un diseño de «gradiente dual», lo cual mantiene el gradiente de concentración de níquel, manganeso y cobalto, con una gran diferencia: mientras que la superficie está enriquecida con cobalto, el interior de la partícula cuenta con una cantidad muy reducida, prácticamente mínima, creando así una superficie desordenada. Según los experimentos realizados, estas innovadoras partículas de cátodo lograron mantener su química y su estabilidad estructural, trabajando incluso a altos voltajes.

Es decir, que se logró maximizar la densidad energética en el funcionamiento y, a la vez, minimizar la reactividad. «Hemos demostrado que la superficie desordenada de la partícula es indestructible, prácticamente sin reactividad ni tensión estructural», comentó Tongchao Liu, científico del laboratorio norteamericano.

Además de las ventajas a la hora de ofrecer mejores baterías y más baratas, la reducción en el uso del cobalto, del 10-20% del diseño original a menos del 2%, plantea soluciones más sostenibles. Recordemos que el cobalto es un metal caro, y cuya extracción y uso plantea cuestiones medioambientales. Los avances del laboratorio Argonne abren ahora la puerta que se puedan seguir buscando diferentes composiciones y estructuras que, en combinación, den lugar a baterías que ofrezcan en el futuro un mejor rendimiento.