Este pequeño ajuste en el cátodo permite reducir un 50% la degradación de las baterías de coches eléctricos
Un equipo de investigación ha logrado reducir casi a la mitad la degradación de las baterías de litio. La clave está en mejorar el cátodo rico en níquel con una pequeña cantidad de óxido de tantalio. Un avance que apunta a coches eléctricos con baterías más duraderas.
Mientras que las miradas de la industria está en la próxima batería milagro, que cada vez está más cerca, algunos equipos trabajan en mejorar las actuales. Densidad energética, seguridad y también vida útil.
Un grupo de investigadores rusos ha dado un paso interesante en este último paso al desarrollar un proceso que permite alargar la vida útil de las baterías de los coches eléctricos, y lo hacen atacando uno de sus puntos más delicados: la degradación de la capacidad con el uso. El resultado no es menor, ya que han logrado reducir casi un 50% la pérdida de capacidad por ciclo gracias a una mejora en el material del cátodo.
El trabajo, respaldado por la Fundación Rusa para la Ciencia y desarrollado por científicos del Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech), se centra en un elemento clave de las baterías de iones de litio modernas: los cátodos ricos en níquel, utilizados para aumentar la densidad energética y, por tanto, la autonomía de los coches eléctricos.
Un pequeño cambio con un gran impacto en el cátodo
Las baterías actuales emplean cátodos de óxidos en capas ricos en níquel, normalmente del tipo NMC (níquel manganeso cobalto). El problema es conocido: cuanto mayor es el contenido de níquel, más rápido se degrada la batería. Con el paso de los ciclos de carga y descarga, se generan microgrietas en las partículas del material, lo que acaba provocando una pérdida progresiva de capacidad.
Para mitigar este efecto, los investigadores llevan tiempo explorando las llamadas estructuras de gradiente de concentración. En este diseño, el níquel se concentra en el núcleo de la partícula del cátodo, mientras que hacia la superficie aumenta la proporción de manganeso y cobalto, que actúan como estabilizadores. Sobre el papel, es una solución elegante, pero muy difícil de fabricar de forma precisa y estable.
El equipo de Skoltech desarrolló un modelo matemático que permite predecir cómo varían las concentraciones de níquel, manganeso y cobalto dentro de las partículas del cátodo en función de los parámetros de síntesis. A diferencia de otros enfoques, este modelo tiene en cuenta la forma esférica y el radio de las partículas, lo que permitió fabricar con éxito tres tipos distintos de estructuras de gradiente y validarlas experimentalmente.
Sin embargo, aún quedaba un obstáculo importante: mantener ese gradiente durante la fase final de fabricación, cuando el material se somete a altas temperaturas para incorporar el litio. En este punto es donde entra en juego la clave del estudio.
Los investigadores probaron a dopar el material con óxido de tantalio (Ta₂O₅), añadiendo apenas un 0,5% molar. El resultado fue contundente: la tasa de degradación de la capacidad de la batería por ciclo se redujo casi a la mitad.
Según explican los responsables del estudio, el tantalio no se limita a mezclarse en la estructura cristalina. En lugar de eso, se concentra en la superficie de los cristalitos primarios, generando una fina capa rica en tantalio, de unos 5 nanómetros de espesor, que protege el material y facilita un cierto desorden catiónico beneficioso en la estructura en capas.
Lo más interesante es que estas zonas ricas en tantalio no forman fases separadas ni defectos en los límites de grano. Al contrario, se integran de forma continua en la estructura cristalina original, lo que ayuda a frenar tanto la difusión indeseada de metales durante el calentamiento como el crecimiento excesivo de las partículas.
El estudio, publicado en la revista Advanced Functional Materials, se centra en cátodos NMC9, con un 90% de níquel (LiNixMnyCozO2), uno de los formatos más atractivos para los coches eléctricos por su elevada densidad energética. Gracias a la modificación con óxido de tantalio, se consiguió preservar la estructura de gradiente incluso tras los procesos térmicos más agresivos, algo fundamental para la producción industrial.
Aunque todavía hablamos de investigación de laboratorio, este tipo de avances son justo los que pueden marcar la diferencia a medio plazo: baterías más duraderas, más seguras y con mayor capacidad. Un recordatorio de que, a veces, un pequeño cambio químico puede tener un impacto enorme en el mundo real.
Fuente | Skoltech.ru
