Materiales utilizados para fabricar una batería de litio para coche

La rápida expansión de los vehículos eléctricos ha aumentado la demanda de materias primas para fabricar baterías de litio, lo que obliga a extraerlas de minerales vírgenes.

Los productos químicos de las baterías de litio difieren en cuanto a la cantidad de energía que pueden almacenar y el número de veces que pueden recargarse, por lo que es crucial elegir una para su aplicación concreta.

Química de iones de litio

Las baterías de iones de litio se han convertido rápidamente en una de las tecnologías más utilizadas en electrónica de consumo, como teléfonos móviles y ordenadores portátiles. Su alta densidad energética permite almacenar una mayor cantidad de energía en espacios más reducidos que con las tecnologías de baterías tradicionales.

Las baterías de iones de litio también pueden utilizarse de forma segura si se hace dentro de unas pautas de seguridad específicas. Aunque su riesgo de incendio es menor que el de las baterías de litio-metal, una manipulación inadecuada podría seguir entrañando peligros.

Las baterías de iones de litio funcionan mediante intercalación y extracción, con iones de litio que van y vienen entre el ánodo y los cátodos, creando una solución electrolítica compuesta de disolventes no acuosos como el carbonato de etileno o el carbonato de propileno que envuelve a ambos. La humedad nunca debe entrar en esta batería debido a la fuerte afinidad del litio con el agua.

La descarga se produce cuando los iones de litio se desplazan desde el ánodo a una solución electrolítica, donde la corriente eléctrica los libera de sus enlaces con el ánodo y permite que los electrones fluyan libremente a través de cables externos para realizar el trabajo.

Las baterías de iones de litio ofrecen muchas ventajas sobre sus homólogas, como una buena eficiencia energética y una elevada relación potencia-peso, un bajo índice de autodescarga, una larga vida útil y un diseño portátil. La tecnología de óxido de litio y cobalto permite una mayor densidad energética que sus alternativas en las baterías de iones de litio para automóviles.

Electrolito

Los electrolitos son minerales vitales esenciales para los niveles de hidratación de nuestro cuerpo y las funciones celulares, así como para la salud en general, como la prevención de la fatiga, los mareos y los dolores de cabeza. La falta de electrolitos puede incluso provocar deshidratación, que afecta a la vida de forma significativa y altera profundamente las rutinas diarias.

Las baterías de iones de litio utilizan electrolitos no acuosos para evitar las reacciones del agua y proteger sus electrodos de la degradación. Suelen incluir carbonatos orgánicos como carbonato de etileno o carbonato de propileno con complejos que unen iones de litio en solución; este electrolito líquido permite entonces que los iones se muevan entre los electrodos del ánodo y el cátodo, produciendo energía eléctrica.

Cuando los iones de litio se desplazan del ánodo al cátodo a través del electrolito durante la descarga, sufren un proceso de inserción o intercalación que transfiere sus electrones desde el cátodo. Esto crea una salida de energía química almacenada en el circuito externo de la célula; durante la carga, estos mismos iones se recombinan con sus electrones para formar electricidad.

Dinca y su equipo trabajan en el desarrollo de materiales alternativos para baterías que contengan menos cobalto, como el sodio o el magnesio. Estas baterías podrían ser más ligeras y baratas, lo que las haría más atractivas para los consumidores. Las baterías sin cobalto deberían tener mejor ciclo de vida, ser más reciclables e incluso más seguras de transportar y almacenar que las de cobalto.

Cátodo

El cátodo es uno de los componentes principales de las baterías de litio. Actuando como conductor eléctrico, facilita el movimiento de los iones de litio entre el ánodo y el cátodo durante los procesos de descarga/carga. Los cátodos pueden estar compuestos de distintos materiales, como óxidos de metales de transición de litio, óxidos de vanadio, óxidos de manganeso o fosfatos de litio, que permiten la intercalación/desintercalación reversible de iones de litio durante los ciclos de descarga/carga.

Un ánodo es un electrodo negativo, responsable de descargar electrones a un circuito externo durante la descarga de la célula. A la inversa, los cátodos combinan iones de litio cargados positivamente con electrones en una reacción de reducción electroquímica en su electrodo positivo. El electrolito sirve de intermediario en el transporte de iones de litio y electrones entre el ánodo y los cátodos; no participa en la reacción electroquímica propiamente dicha.

Se han desarrollado muchos materiales catódicos diferentes; los tres más frecuentes en la producción actual pueden resumirse en LiCoO2, LiMn2O4 y LiFePO4. Cada uno de ellos utiliza la química de iones de litio; sin embargo, su capacidad de carga y estabilidad cíclica varían de un modelo a otro.

Las baterías de iones de litio dependen de sus cátodos tanto para la densidad de energía como para la vida útil del ciclo, ya que este componente almacena grandes cantidades de iones de litio con alta conductividad y tiene que almacenar grandes cantidades de ellos para funcionar de forma óptima. Para disminuir aún más la resistencia y mejorar el rendimiento, pueden añadirse como aditivos conductores diversos aditivos como el negro de carbono (CB), el carbono amorfo (AC) o las fibras de carbono (CF); en la Tabla 2 se presentan los resultados de estos aditivos sobre las capacidades de descarga y los rendimientos de ciclo de diversos materiales de cátodo con diversos aditivos conductores comparados.

Ánodo

La viabilidad de las baterías de iones de litio viene determinada en gran medida por los materiales de sus electrodos -también conocidos como ánodos y cátodos-, que desempeñan un papel esencial en la regulación de la densidad de energía y el rango de tensión. La mayoría de las baterías de litio utilizan ánodos y cátodos de carbono; sin embargo, los investigadores están explorando soluciones alternativas.

La descarga se produce cuando un ánodo libera iones de litio al cátodo mediante intercalación, creando corriente y energía. Sin embargo, durante la carga ocurre lo contrario. En lugar de descargar iones de litio en el cátodo a través de la intercalación, entran en un electrolito (compuesto por sales de litio suspendidas en disolvente de dimetilcarbonato). Desde aquí viajan hacia el ánodo y finalmente vuelven a salir a través de esta solución para completar su circuito hacia atrás.

Los ánodos de grafito estándar no pueden utilizarse a largo plazo, ya que la inserción repetida de litio hace que se rompan y pierdan capacidad, sin dejar células LIB funcionales. Se han propuesto alternativas como los hidróxidos metálicos; sin embargo, sus elevados voltajes de intercalación reducen la densidad energética de estas baterías.

Amprius, empresa especializada en materiales para baterías, ha desarrollado un ánodo con una cubierta de silicio que encierra nanocables de silicio como posible solución. Ya probada en un paquete de baterías de un pseudosatélite Airbus Zephyr S con fines de ensayo, su rendimiento fue extraordinario: duró cientos de ciclos de carga y produjo más de 435 W h/kg de energía.

Separador de electrodos

El separador es un componente esencial de las baterías de litio, ya que sirve para aislar los electrodos positivo y negativo al tiempo que permite el flujo de iones de litio. Construido con una membrana porosa hecha de diversos materiales de poliolefina como polietileno o polipropileno, su tamaño afecta a la cantidad de corriente que se puede extraer durante la descarga y determina la estabilidad durante los ciclos.

La porosidad del separador debe ser suficiente para permitir que los iones de litio se muevan libremente entre los electrodos, con una amplia distribución de poros que se cierren cuando la batería se desenchufe o se apague; el tamaño óptimo de los poros oscila entre 30 y 100 nanómetros. Además, su conductividad también debe ser alta.

La humectabilidad de un separador también es esencial; debe absorber una cantidad adecuada de electrolito en sus poros durante el funcionamiento de la célula, sin que se produzca la formación de dendritas ni el crecimiento de SEI. Pueden emplearse diversos materiales separadores, como PP no tejido, PP monocapa microporoso, celulosa, fibra de vidrio, PTFE o PP/PE/PP tricapa; algunos tienen propiedades mejoradas, como una mayor resistencia a la oxidación o afinidad/humectabilidad con los electrolitos; estas mejoras contribuyen significativamente a la seguridad y longevidad de las pilas.

Colectores actuales

Los colectores de corriente son un componente esencial de las baterías de litio, ya que permiten que los electrones fluyan entre los electrodos del cátodo y el ánodo, ayudando a la batería a alcanzar una alta densidad de energía y mejorando la seguridad y el rendimiento. Deben estar diseñados para soportar altas tensiones de funcionamiento sin que se produzca corrosión en sus electrodos.

Metales como el aluminio y el cobre se utilizan a menudo como colectores de corriente debido a su naturaleza relativamente barata y su excelente conductividad eléctrica, pero su fragilidad requiere grandes espesores para mantener la integridad mecánica.

Científicos del NREL han ideado una novedosa forma de reducir el grosor de los colectores de corriente y aumentar al mismo tiempo la densidad energética. El método consiste en recubrir con adhesivo los materiales activos de los separadores de las baterías de litio, creando así colectores de corriente finos y ligeros que contribuirán a aumentar la eficiencia energética de las baterías de litio de los automóviles.

Los científicos están explorando métodos para reducir el grosor de los colectores de corriente y, al mismo tiempo, aumentar su estabilidad electroquímica. Los materiales basados en el carbono ofrecen procesos de producción más respetuosos con el medio ambiente que los metálicos y se utilizan cada vez más como colectores de corriente.

Los colectores de corriente basados en carbono ofrecen muchas ventajas sobre sus homólogos más rígidos, como ser más ligeros y lo bastante flexibles para mejorar la densidad energética y la capacidad de potencia de las baterías, un requisito cada vez más esencial dada la creciente popularidad del ión-litio.