Un pequeño cambio podrá alargar la vida de las baterías de los coches eléctricos
Un equipo de investigadores ha desarrollado una nueva forma de estabilizar baterías de litio atacando el problema desde su estructura interna. El método permite frenar la degradación de voltaje que afecta a los diseños de alta energía y que, sobre el papel, permitirá mejorar la vida útil de futuras baterías para coches eléctricos.
La degradación de voltaje lleva años siendo uno de esos enemigos silenciosos de las baterías de litio. No se nota de golpe, no implica una pérdida inmediata de capacidad, pero va minando poco a poco el rendimiento hasta que la capacidad se pierde, lo que en un vehículo eléctrico supone menos autonomía y peor rendimiento de carga. Ahora, un equipo de investigadores asegura haber encontrado una forma de solucionar el problema desde su origen: la propia estructura atómica del material.
Científicos de la Universidad de Nankai, en China, han desarrollado una nueva estrategia para estabilizar los cátodos ricos en litio con óxidos en capas, conocidos como LRLO. Este tipo de materiales lleva tiempo señalado como una de las claves para las próximas generaciones de baterías, tanto para coches eléctricos como para sistemas de almacenamiento estacionario, gracias a su elevada densidad energética. El problema es que esa ventaja viene acompañada de una importante inestabilidad estructural cuando se trabaja a altos voltajes.
Los cátodos convencionales de litio se basan en reacciones redox de cationes, una química ya bastante exprimida en términos de energía específica. Los LRLO, en cambio, permiten activar reacciones redox del oxígeno, lo que abre la puerta a mayores capacidades. Pero esa activación también provoca migraciones internas de metales de transición, pérdida de oxígeno y, como consecuencia directa, una fuerte caída del voltaje con el paso de los ciclos de carga y descarga.
Durante años se han probado soluciones de todo tipo: recubrimientos superficiales, ajustes en la composición química o dopados en posiciones habituales de la red cristalina. El resultado casi siempre ha sido el mismo: se retrasa la degradación unas pocas decenas de ciclos, pero no se elimina el problema. El nuevo trabajo va un paso más allá y se mete literalmente en el corazón del material.
Dopantes donde nadie miraba
La clave del avance está en colocar átomos dopantes en un lugar poco habitual. En lugar de ocupar las posiciones octaédricas tradicionales dentro de la red del cátodo, el equipo ha logrado insertar átomos de tungsteno en sitios intersticiales tetraédricos, una posición que hasta ahora se consideraba muy difícil de estabilizar.
Como sistema de prueba utilizaron un cátodo rico en litio de composición Li₁.₂Mn₀.₆Ni₀.₂O₂, al que añadieron menos del 1% atómico de tungsteno en estado W⁶⁺. Técnicas avanzadas de caracterización permitieron confirmar que los átomos de tungsteno se situaban realmente en esos huecos tetraédricos. Imágenes de alta resolución a escala atómica mostraron de forma directa la posición de los dopantes, algo poco habitual en este tipo de estudios.
Y ese detalle aparentemente menor resulta ser decisivo. Cada átomo de tungsteno genera una repulsión electrostática de largo alcance que frena la migración de los metales de transición, tanto dentro de los planos como entre capas. No se trata de un efecto local: un solo dopante es capaz de estabilizar una región de unos 2 nanómetros, muy por encima de lo habitual en procesos a escala atómica.
La estructura circundante de litio y oxígeno absorbe la tensión generada, evitando el colapso estructural que suele aparecer en los LRLO tras repetidos ciclos a alto voltaje. En la práctica, se bloquean los mecanismos que desencadenan la degradación.
Las diferencias entre los materiales dopados y los convencionales son claras. En los cátodos sin tungsteno, el orden característico tipo panal desaparece tras apenas 20 ciclos. En las muestras dopadas, ese mismo orden se mantiene incluso después de 250 ciclos de carga y descarga. Mediciones estructurales durante el funcionamiento muestran además que la deformación de la red cristalina al cargar la batería se reduce de forma drástica.
Otros análisis confirman que la formación de vacantes de oxígeno y la liberación de este gas, dos factores clave en la caída de voltaje, quedan fuertemente suprimidos. En las pruebas electroquímicas, los investigadores identificaron una concentración óptima de tungsteno del 0,75% atómico. Con ese ajuste, el cátodo mantiene una alta capacidad y limita la pérdida de voltaje a solo 0,150 voltios tras 200 ciclos, una mejora muy notable frente a diseños anteriores de este tipo.
Más allá de los números, el estudio cuestiona algunas ideas muy asentadas sobre cómo influyen los dopantes en los materiales para baterías. Los autores defienden que este dopado eficiente en sitios tetraédricos podría convertirse en un principio general de diseño para estabilizar cátodos de alta energía en distintos sistemas de óxidos en capas.
Si se confirma su escalabilidad industrial, esta técnica podría acercar de una vez por todas los cátodos ricos en litio al mercado real, algo clave para mejorar la autonomía y la durabilidad de las baterías que acabarán montando muchos coches eléctricos en los próximos años.
Fuente | Sciencedirect
