Sal de roca desordenada: Cómo abordar la movilidad del oxígeno condujo a un avance en la tecnología de baterías

La demanda de baterías está creciendo en todo el mundo, impulsada por su uso cada vez mayor en la industria automotriz, la creciente popularidad de los dispositivos electrónicos portátiles y regulaciones medioambientales estrictas. Como resultado, el mercado global de baterías se proyecta que alcanzará $800 mil millones para 2036, frente a aproximadamente $120 mil millones en 2023.

A la luz de este crecimiento esperado, los investigadores están desarrollando y probando continuamente nuevos materiales y químicos para mejorar componentes críticos de las baterías, que afectan propiedades como la salida de energía, el almacenamiento de energía, la capacidad de potencia y la capacidad de ciclado.

Estos componentes incluyen un cátodo (electrodo positivo), un ánodo (electrodo negativo), un electrolito (para el transporte de iones entre los electrodos) y un separador.

La mayoría de los dispositivos alimentados por baterías hoy en día, como vehículos eléctricos, teléfonos inteligentes y sistemas de almacenamiento de energía, dependen de la tecnología de baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio pueden almacenar una gran cantidad de energía en tamaños compactos, cargarse rápidamente y durar mucho tiempo.

Sin embargo, con la creciente demanda de baterías con mayores capacidades, se están investigando y desarrollando nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia, reducir costos, aumentar la seguridad y promover la sostenibilidad.

A lo largo de los años, la investigación continua ha llevado a avances que ofrecen alternativas prometedoras a las baterías de iones de litio y de plomo-ácido.

Las baterías de iones de sodio ofrecen una opción más asequible y segura que funciona mejor a bajas temperaturas. Estas baterías son similares a las de iones de litio pero utilizan agua salada como electrolito, lo que las hace más adecuadas para el almacenamiento de energía, aunque aún deben optimizarse. Los investigadores incluso están usando gel electrolítico para hacer que los nanohilos sean más resistentes y aptos para su uso en baterías.

Baterías de estado sólido, por otro lado, utilizan un electrolito sólido como vidrio, cerámica o polímero en lugar de gel o electrolito líquido. Estas baterías son mucho más eficientes, pesan menos, se cargan más rápido, y ya se están usando en teléfonos inteligentes y marcapasos. Toyota y BMW están trabajando actualmente en lanzar automóviles impulsados por baterías de estado sólido, aunque todavía tomará algunos años.

Otras tecnologías de baterías incluyen baterías de litio-azufre, que son rentables pero tienen una limitación de durabilidad, y baterías de iones de litio sin cobalto, que pueden ayudar a abordar preocupaciones de derechos humanos en la minería del cobalto. Sin embargo, alternativas como TAQ aún son nuevas y necesitan más pruebas.

También se están explorando baterías basadas en zinc, con tecnologías que incluyen óxido de zinc-manganeso, zinc-aire, zinc-bromo y baterías de iones de zinc. Sin embargo, son ineficientes, a veces implican reacciones de conversión química inesperadas y son costosas de fabricar, lo que requiere más investigación.

A medida que el mundo depende cada vez más de las baterías, los científicos de todo el mundo están enfocados en lograr avances en los tiempos de almacenamiento, la potencia de salida, los costos de producción y la disponibilidad instantánea.

Último avance en baterías: Cátodos de sal de roca-polianión 

Una nueva investigación ha logrado un avance en el aumento de la densidad de energía práctica de la batería. Publicado en Nature Energy a finales del mes pasado, el estudio titulado “Cátodos de sal de roca–polianión integrados con litio en exceso y ciclado estabilizado,” fue realizado por el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT.

El estudio se centra en un nuevo material de cátodo encontrado en sal de roca desordenada, que ha sido estudiado como material de cátodo avanzado para su uso en baterías de iones de litio durante más de una década. 

Los investigadores del MIT se aseguraron de que el material pueda crear almacenamiento de alta energía y bajo costo para vehículos eléctricos, teléfonos móviles y almacenamiento de energía renovable.

Dirigido por Ju Li, profesor de la Tokyo Electric Power Company en Ingeniería Nuclear, el equipo descubrió DRXPS, o espinela desordenada de sal de roca-polianión, como el nuevo material.

Esta nueva categoría de cátodo de sal de roca parcialmente desordenada, integrada con polianiones, ha demostrado ofrecer alta densidad de energía a altos voltajes con una estabilidad de ciclado mejorada. Esto es un gran logro, dado que típicamente existe una compensación entre la densidad de energía y la estabilidad de ciclado en los materiales de cátodo.

“Con este trabajo, buscamos superar los límites diseñando nuevas químicas de cátodo.”

– Yimeng Huang, el primer autor del artículo, postdoctorado en el NSE

Ahora, ¿cómo puede la nueva familia de materiales lograr tanto alta densidad de energía como buena estabilidad de ciclado? La respuesta reside en la integración de dos materiales clave de cátodo: sal de roca y olivino polianiónico. Al combinarlos, se pudieron obtener los beneficios de ambos.

Otro factor en juego aquí es el manganeso (Mn), un metal duro y plateado que se encuentra en abundancia en la Tierra y es mucho más barato que otros elementos actualmente usados en los cátodos de hoy.

Por ejemplo, el manganeso es aproximadamente treinta veces menos costoso que el cobalto (Co) y cinco veces menos costoso que el níquel (Ni), ambos los cuales se usan comúnmente en baterías. Además, el manganeso desempeña un papel crucial en la consecución de mayores densidades de energía. 

“(Tener un material así mucho más abundante en la Tierra es una ventaja tremenda.”

– Li, profesor de ciencia e ingeniería de materiales

Esta ventaja, según los investigadores, tiene un gran valor para un futuro cero carbono que requiere infraestructura de energía renovable.

Las baterías pueden desempeñar un papel importante en esta transición, con el potencial de descarbonizar el transporte mediante vehículos eléctricos y abordar la intermitencia de la energía solar y eólica. Dado que estas fuentes de energía renovable no están disponibles 24/7, el almacenamiento de energía es esencial para proporcionar energía durante los momentos en que estas fuentes no están disponibles, como por la noche o en días nublados y calmados.

Los investigadores también señalan que materiales como el cobalto y el níquel son relativamente raros y costosos. Usarlos para escalar rápidamente la capacidad de almacenamiento eléctrico podría provocar grandes aumentos en los costos y potencialmente escasez significativa de materiales. Según Li:

“Si queremos una verdadera electrificación de la generación de energía, el transporte y más, necesitamos baterías abundantes en la Tierra para almacenar la energía intermitente fotovoltaica y eólica. Creo que este es uno de los pasos hacia ese sueño.”

Superando el obstáculo de la movilidad del oxígeno en los materiales actuales

Financiado por el Honda Research Institute USA Inc. y el Molecular Foundry del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el estudio abordó uno de los principales desafíos que enfrentan los cátodos de sal de roca desordenada.

Como se señaló anteriormente, el material ha sido estudiado por su capacidad extremadamente alta. En comparación con los materiales de cátodo tradicionales, que tienen una capacidad entre 190 y 200 miliamperios-hora por gramo, este material alcanza hasta 350 miliamperios-hora por gramo.

Sin embargo, a pesar de ofrecer una capacidad muy alta, el material no es muy estable. Esto se debe en parte al redox de oxígeno, un proceso de aprovechamiento de la densidad electrónica cerca de los átomos de oxígeno en los materiales de cátodo. 

El redox de oxígeno se activa cuando el cátodo se carga a altos voltajes, haciendo que el oxígeno sea móvil, lo que luego conduce a reacciones con el electrolito y a la degradación del material. Esto vuelve al material inútil después de ciclos prolongados.

Para superar estos desafíos, los investigadores introdujeron otro elemento en el material: fósforo (P), un sólido blando y ceroso que actúa como pegamento, manteniendo el oxígeno en su lugar y reduciendo la degradación del material. 

Pero simplemente añadir fósforo no es suficiente por sí mismo. Es la cantidad adecuada de fósforo lo que constituye la innovación más importante aquí. Añadir la cantidad apropiada de P “formó los llamados polianiones con sus átomos de oxígeno vecinos en una estructura de sal de roca deficiente en cationes que puede fijarlos”, declaró Li.

El fuerte enlace covalente entre oxígeno y fósforo permite a los investigadores poner fin al transporte de oxígeno. De esta manera, han podido aprovechar la capacidad aportada por el oxígeno y al mismo tiempo, lograr una buena estabilidad.

Tener esta capacidad de cargar baterías a voltajes más altos es importante porque permite sistemas más simples para gestionar su energía almacenada.

“Puedes decir que la calidad de la energía es mayor. Cuanto mayor sea el voltaje por celda, menos necesitas conectar las celdas en serie en el paquete de baterías, y más simple será el sistema de gestión de baterías.”

– Li

Este estudio es solo el comienzo, ya que el equipo ahora explorará diferentes proporciones de manganeso, litio, oxígeno y fósforo, así como varias combinaciones de otros elementos formadores de polianiones como silicio, azufre y boro.

De cara al futuro, los investigadores también investigarán formas novedosas de fabricar el material, con un enfoque particular en la escalabilidad y la morfología. El estudio actual utiliza molienda de bolas de alta energía para la síntesis mecanicoquímica, lo que produce una morfología no uniforme y partículas de aproximadamente 150 nanómetros, un promedio pequeño. Además, su método actual no es realmente escalable. 

Así que los investigadores están probando ahora métodos de síntesis alternativos para lograr una morfología más uniforme y partículas de mayor tamaño. Esto ayudaría a aumentar la densidad de energía volumétrica del material e incluso podría permitirles probar algunos métodos de recubrimiento que podrían mejorar el rendimiento de la batería. Los métodos futuros también deben ser escalables industrialmente.

Otro problema es la conductividad, que se incrementó al añadir una cantidad significativa de carbono al material de sal de roca desordenada. De hecho, el carbono representaba el 20 por ciento del peso de la pasta del cátodo, ya que el material no es realmente un buen conductor por sí mismo. 

Así que, por supuesto, los investigadores seguirán investigando la reducción del contenido de carbono en el electrodo. Si pueden lograr esto sin sacrificar el rendimiento de la batería, podrían aumentar la densidad de energía práctica incorporando un mayor contenido de material activo en la batería.

Con este fin, están considerando usar nanotubos de carbono, lo que podría reducir el contenido de carbono a solo uno o dos por ciento en peso, permitiendo un aumento significativo del material activo del cátodo. Sin embargo, el estudio actual utilizó Super P, un carbono conductor compuesto de nanoesferas, que es menos eficiente.

Otra mejora implica el uso de electrodos gruesos, lo que aumentaría aún más la densidad de energía práctica de la batería.

Una vez que el equipo optimice la composición del material, desarrolle electrodos más gruesos, logre una mejor morfología para recubrimientos uniformes, reduzca el contenido de carbono y adopte métodos de síntesis escalables, ven a la familia de cátodos DRXPS como altamente prometedora para aplicaciones en vehículos eléctricos, almacenamiento en red y electrónica de consumo.

Empresas que avanzan en el campo de las baterías

Muchas corporaciones están ayudando a avanzar en el campo, y aún más se beneficiarán de estos desarrollos. 

Umicore (UMICY) es una de esas compañías involucradas en materiales de baterías, particularmente en tecnologías de cátodos, con un enfoque en materiales sostenibles y avanzados. Mientras tanto, Lithium Americas Corp. (LAC) es un proveedor de litio, y Vale (VALE) es un productor global líder de hierro y manganeso. Ahora, echemos un vistazo a algunos otros nombres destacados:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Un importante productor de litio, Albemarle, ha estado desarrollando tecnologías de baterías con mayor densidad de energía para reducir el peso y extender la autonomía. Es uno de los mayores productores mundiales de litio para baterías de vehículos eléctricos. Las ofertas de la compañía para satisfacer la demanda de energía limpia incluyen soluciones de cátodo, soluciones de ánodo, soluciones de electrolito y carcasas de baterías.

Con una capitalización de mercado de $9.84 mil millones, la acción de Albemarle cotiza actualmente a $83.66, con una caída del 41.6% en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de -4.73, un P/E (TTM) de -17.67 y un rendimiento de dividendos del 1.94%. En el segundo trimestre de 2024, la compañía registró ventas netas de $1.4 mil millones y un EBITDA ajustado de $386 millones. El efectivo de las operaciones, mientras tanto, fue de $363 millones, un aumento respecto a $289 millones interanual. Albemarle también entregó más de $150 millones en beneficios de productividad.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape es un desarrollador de baterías de litio-metal de estado sólido, con el objetivo de transformar el almacenamiento de energía. La compañía ha desarrollado el primer diseño de celda sin ánodo de la industria, lo que reduce los costos de materiales y ofrece alta densidad de energía. Este año, QuantumScape se asoció con la compañía de baterías de Volkswagen, PowerCo, otorgándoles una licencia para producir en masa celdas de batería basadas en la plataforma tecnológica de QuantumScape.

Con una capitalización de mercado de $2.75 mil millones, la acción de QuantumScape cotiza actualmente a $5.51, con una caída del 19.78% en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de -0.95 y un P/E (TTM) de -5.78. En el segundo trimestre de 2024, la compañía registró gastos de capital de $18.9 millones, mientras que los gastos operativos GAAP fueron de $134.5 millones. La liquidez se situó en $938 millones al final del trimestre.

Conclusión

Dada la amplia utilización y el tamaño del mercado de las baterías, las tecnologías de baterías nuevas y avanzadas están siendo investigadas y desarrolladas intensamente. Como vimos en el último estudio, el nuevo material de cátodo mostró “altas densidades de energía gravimétrica superiores a 1,100 Wh kg⁻¹ y >70 % de retención durante 100 ciclos”, abriendo la puerta a cátodos de batería fabricados con elementos abundantes en la Tierra como Mn y Fe.

Dado que las baterías de iones de litio se consideran una parte crucial de la transición hacia la energía limpia, estudios como este garantizan su continuo crecimiento y reducción de precios mediante el desarrollo de “materiales de cátodo económicos y de alto rendimiento.”

Esto apunta a un futuro prometedor para el almacenamiento de energía, con el potencial de satisfacer la creciente demanda global mientras se minimiza el impacto ambiental.

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