La carrera por desarrollar baterías más eficientes, económicas y sostenibles para los coches eléctricos acaba de poner el foco sobre un problema hasta ahora prácticamente desconocido. Un equipo de investigadores de la Universidad Hanyang ERICA, en Corea del Sur, ha descubierto que un detalle aparentemente menor durante el proceso de fabricación puede reducir de forma significativa la vida útil de las baterías: el aire.
El hallazgo afecta a unas baterías que están llamadas a desempeñar un papel importante en la próxima generación de vehículos eléctricos, las celdas con cátodos ricos en níquel y libres de cobalto, una tecnología que la industria considera estratégica porque permite aumentar la autonomía de los vehículos al tiempo que reduce la dependencia de uno de los minerales más caros y controvertidos del sector.
La importancia del almacenamiento de las baterías
En la actualidad, buena parte de las baterías de alto rendimiento emplean químicas NMC (níquel, manganeso y cobalto) o NCA (níquel, cobalto y aluminio). Sin embargo, fabricantes y proveedores trabajan desde hace años para disminuir progresivamente la cantidad de cobalto debido a su elevado coste, a las dificultades de suministro y a las cuestiones medioambientales y sociales asociadas a su extracción.
Los nuevos cátodos ricos en níquel con recubrimientos de manganeso aparecen como una de las alternativas más prometedoras para mantener una elevada densidad energética sin depender tanto de ese material crítico. El problema es que los científicos comprobaron que el simple hecho de almacenar al aire los materiales precursores antes de fabricar el cátodo provoca una oxidación del manganeso presente en la superficie de las partículas. Aunque el cambio químico es microscópico, sus consecuencias son importantes a largo plazo.
La oxidación genera regiones defectuosas con las denominadas especies de manganeso “distorsionadas de Jahn-Teller”, una configuración especialmente reactiva que acelera el deterioro interno de la batería. Estas zonas favorecen la descomposición del electrolito, facilitan la disolución de metales de transición y desencadenan reacciones perjudiciales en el ánodo de grafito, reduciendo progresivamente la capacidad de almacenamiento energético de la celda.
Los ensayos realizados por el equipo surcoreano muestran hasta qué punto este fenómeno puede ser relevante ya que, en las baterías analizadas, el defecto casi duplicó la pérdida de capacidad durante las pruebas de envejecimiento mediante ciclos repetidos de carga y descarga, un resultado que pone de manifiesto la importancia de controlar no solo la composición química de la batería, sino también cada etapa de su proceso de fabricación.
El profesor Jin Ho Bang, responsable de la investigación, explica: “Descubrimos que una capa rica en manganeso (que normalmente se aplica para proteger los cátodos con alto contenido de níquel) puede convertirse, por el contrario, en un catalizador de la degradación si no se controla cuidadosamente la química de los precursores. Incluso pequeñas variaciones en el historial de almacenamiento de los precursores pueden afectar considerablemente a la estabilidad de la batería”.
Encontrado el problema, dada la solución
La buena noticia es que el estudio no solo identifica el problema, sino también una posible solución. Los investigadores comprobaron que incrementando ligeramente el exceso de litio durante la síntesis del cátodo es posible impedir la formación de esas regiones defectuosas. De esta manera se restablece una unión más estable entre el manganeso y el oxígeno y se mejora notablemente la durabilidad de las celdas.
Los resultados fueron especialmente llamativos: las baterías fabricadas con este ajuste conservaron más del 90 % de su capacidad tras las pruebas de envejecimiento, lo que supone una mejora muy significativa respecto a las celdas afectadas por el nuevo mecanismo de degradación. Además, la propuesta no requiere rediseñar completamente la batería ni aplicar nuevos recubrimientos, sino únicamente modificar uno de los parámetros del proceso de fabricación, algo que facilitaría su adopción industrial.