Materiales catódicos sin cobalto para la nueva generación de baterías de ión-litio

Dentro de la línea de investigación de cátodos avanzados del CIC energiGUNE, participamos en varios proyectos de I+D financiados con fondos europeos, como CoFBAT, 3believe, HighSpin y Nextcell, en los que se emplea este material para cátodos. El objetivo global de todos estos proyectos es llevar este material de cátodo sin cobalto de la escala de laboratorio a los primeros prototipos que podrían utilizarse en aplicaciones de automoción o almacenamiento de energía estacionaria.

El cobalto es un elemento clave para fabricar baterías de iones de litio. En la actualidad, más del 60% del cobalto extraído se destina a los cátodos de las baterías. Además, el 50-60% de los recursos mundiales de cobalto se encuentran en el políticamente inestable Congo (RDC) y se extraen en condiciones de trabajo cuestionables. De hecho, la Comisión Europea ya lo identificó en 2017 como una materia prima crítica. Por lo tanto, los materiales para cátodos de iones de litio sin cobalto son clave para la futura generación de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos.

El NCM (óxido de níquel, cobalto y manganeso) es uno de los materiales catódicos más empleados, especialmente en aplicaciones de automoción, debido a su alta densidad energética. La estequiometría de este material puede variar en función del contenido de cada uno de los tres metales.

De hecho, en los últimos años, el contenido de cobalto ha disminuido desde el alto contenido de cobalto NCM-111 a estequiometrías con menor contenido de cobalto, como NCM-622 y NCM-811. Estos materiales también presentan capacidades específicas muy elevadas, pero, a su vez, reducen la vida útil del ciclo (el cobalto aporta estabilidad a la estructura). Además, su proceso de síntesis se hace más complejo debido a la formación de fases de litio no estequiométricas. A pesar de los inconvenientes mencionados, la baja cantidad de cobalto (y el consiguiente menor coste) han propiciado la rápida comercialización de estos materiales pobres en cobalto.

Sin embargo, las nuevas químicas sin cobalto son aún más atractivas, ya que el coste del material del cátodo puede reducirse hasta un 60% (en comparación con el NCM). Una de las tecnologías más maduras entre la familia sin cobalto es la LNMO, ya que presenta varias ventajas. Presenta una larga meseta de alto voltaje y una inserción y extracción de litio muy rápidas. Esto significa que la batería puede cargarse/descargarse en muy poco tiempo y puede funcionar a un voltaje elevado (alrededor de 4,7 V), lo que da lugar a altas densidades de energía de 650 Wh/kg a nivel de celda (frente a la masa del cátodo).

El aspecto más desafiante para esta tecnología es encontrar un electrolito que sea estable en la ventana de voltaje de este material (3,5 a 4,9 V). En este sentido, la investigación seguida por CIC energiGUNE en los últimos años incluye el uso de electrolitos poliméricos en gel con el objetivo de mejorar la seguridad de la batería a estos altos voltajes.

Sin embargo, uno de los principales obstáculos para la comercialización de este sistema de baterías es su reducido ciclo de vida en comparación con las baterías comerciales de iones de litio. Por este motivo, gracias a la gran variedad de instalaciones de caracterización disponibles en las plataformas CIC energiGUNE, se han desarrollado nuevos protocolos para diagnosticar la degradación de las baterías de litio basadas en gel. Este diagnóstico preciso nos ha permitido mejorar los métodos de tratamiento y desarrollar estrategias de mitigación que aumentan la vida útil de las baterías. En la actualidad, se han conseguido más de 250 ciclos hasta el 80% de SoH (que se considera el final de la vida útil (EoL) en aplicaciones de automoción.

En el proyecto más reciente, HighSpin, daremos un paso más en materia de sostenibilidad y procesos más ecológicos utilizando disolventes de base acuosa para los cátodos. También se prevén vías de reciclaje para la recuperación del material crítico.

Además, las actividades de investigación de la línea de cátodos avanzados también incluyen la comprensión de las propiedades estructurales y la actividad redox del material LNMO sintetizado y su relación con las propiedades electroquímicas. Se ha empleado la espectroscopia de absorción de rayos X operando para dilucidar la influencia del orden de los metales de transición en el mecanismo de reacción de la espinela LNMO.

Otras técnicas como la resonancia magnética nuclear en estado sólido (ssNMR) y la difracción de neutrones en polvo (NPD) también se utilizaron ex-situ para proporcionar información sobre los cambios de los parámetros de la red y la disposición de los metales alrededor del sitio de Li. Este estudio fundamental ha revelado un importante conocimiento sobre la dinámica de los mecanismos de ciclado de LNMO. Esto ayudará a desarrollar nuevas estrategias para el futuro desarrollo de materiales LNMO.

Debido al ritmo de crecimiento sin precedentes de la demanda de algunos materiales para baterías como el cobalto, el desarrollo de alternativas que puedan sustituir a los materiales críticos identificados por la UE es uno de los principales retos a los que se enfrenta actualmente la investigación en baterías. El LNMO es una prometedora alternativa catódica sin cobalto, por lo que los principales esfuerzos de investigación se centran en su desarrollo. CIC energiGUNE está en este camino para acelerar su comercialización, llevando las baterías más ecológicas del laboratorio a las aplicaciones reales.

Debido al ritmo de crecimiento sin precedentes de la demanda de algunos materiales para baterías como el cobalto, el desarrollo de alternativas que puedan sustituir a los materiales críticos identificados por la UE es uno de los principales retos a los que se enfrenta actualmente la investigación en batería.