Las baterías sin cobalto podrían alimentar los coches del futuro MIT News

Muchos vehículos eléctricos funcionan con baterías que contienen cobalto. Se trata de metales que provocan elevados costes financieros, medioambientales y sociales.

Investigadores del MIT han diseñado un material para baterías que podría ofrecer una forma más sostenible de alimentar coches eléctricos. La nueva batería de iones de litio tiene un cátodo que utiliza materiales orgánicos en lugar de cobalto o níquel. (otro metal que se utiliza a menudo en las baterías de iones de litio)

en un nuevo estudio Los investigadores han demostrado que este material, que puede producirse a un coste mucho menor que las baterías a base de cobalto, se puede producir a un coste mucho menor que las baterías a base de cobalto. Pueden conducir electricidad a un ritmo similar al de las baterías de cobalto. Las nuevas baterías también tienen una capacidad comparable y pueden cargarse más rápido que las baterías Cobalt. Informe de los investigadores

«Creo que este material podría tener un enorme impacto porque funciona muy bien», afirmó Mircea Dincă, profesor de Energía W.M. Keck en el MIT. «Compite con la tecnología existente. Y puede ahorrar muchos costos, dolores y problemas ambientales asociados con la extracción de los metales que se utilizan en las baterías”.

Dincă es el autor principal del estudio, que aparece en la revista de hoy. Ciencia Central ACSTianyang Chen PhD ’23 y Harish Banda, ex postdoctorado del MIT, son los autores principales de este artículo. Otros autores incluyen a Jiande Wang, un postdoctorado del MIT, Julius Oppenheim, un estudiante graduado del MIT; y Alessandro Franceschi, investigador de la Universidad de Bolonia.

Alternativas al cobalto

La mayoría de los coches eléctricos funcionan con baterías de iones de litio. Es un tipo de batería que se recarga cuando los iones de litio fluyen desde electrodos cargados positivamente. llamado cátodo al electrodo negativo llamado ánodo En la mayoría de las baterías de iones de litio El cátodo contiene cobalto. Es un metal que aporta estabilidad y alta densidad energética.

Sin embargo, el cobalto tiene una gran desventaja: al ser un metal raro, su precio puede fluctuar mucho. Y la mayoría de los recursos de cobalto del mundo se encuentran en países políticamente inestables. La extracción de cobalto crea condiciones de trabajo peligrosas y produce desechos tóxicos que contaminan el suelo, el aire y el agua que rodean la mina.

“Las baterías de cobalto pueden almacenar grandes cantidades de energía. Y tiene todas las características que la gente valora en términos de rendimiento. Pero existe el problema de que no está ampliamente disponible. Y los costos fluctúan ampliamente con los precios de las materias primas. Y cuando se pasa a los coches eléctricos en un porcentaje mucho mayor del mercado de consumo. Definitivamente será más caro”, afirmó Dincă.

Esto se debe a que el cobalto tiene varias desventajas. Por lo tanto, se están realizando muchas investigaciones para intentar desarrollar materiales alternativos para baterías. Uno de esos materiales es el fosfato de hierro y litio (LFP), que algunos fabricantes de automóviles están empezando a utilizar en vehículos eléctricos. Aunque sigue siendo útil en la práctica, la LFP tiene sólo aproximadamente la mitad de la densidad energética de las baterías de cobalto y níquel.

Otra opción interesante son los materiales orgánicos. Pero hasta ahora, la mayoría de estos materiales no han podido cumplir con la conductividad eléctrica. Capacidad de almacenamiento y la vida útil de las baterías que contienen cobalto. Porque tiene baja conductividad eléctrica. Estos materiales suelen mezclarse con un aglutinante, como un polímero, que les ayuda a mantener una red conductora. Estos aglutinantes, que representan al menos el 50 por ciento del material total. Hará que la capacidad de la batería disminuya.

Hace unos seis años, el laboratorio de Dincă comenzó a trabajar en un proyecto financiado por Lamborghini para desarrollar baterías orgánicas que pudieran usarse para alimentar automóviles eléctricos. Mientras trabajaban en un material poroso que era en parte orgánico y en parte inorgánico, Dincă y sus estudiantes se dieron cuenta de que el material totalmente orgánico que estaban fabricando parecía ser un fuerte conductor eléctrico.

El material consta de múltiples capas de TAQ (bis-tetraaminobenzoquinona), una pequeña molécula orgánica con tres anillos hexagonales fusionados. Estas capas pueden extenderse en todas direcciones. Esto crea una estructura similar al grafito. Dentro de la molécula hay un grupo de sustancias químicas llamadas quinonas. que es un reservorio de electrones y aminas, que ayudan al material a formar fuertes enlaces de hidrógeno.

Esos enlaces de hidrógeno hacen que el material sea muy estable y poco soluble en agua. La insolubilidad es importante porque evita que el material se disuelva en el electrolito de la batería. Al igual que lo hacen algunos materiales orgánicos para baterías. Ayudando así a prolongar la vida útil.

“Uno de los principales métodos de descomposición de materiales orgánicos es mediante Se disuelven en el electrolito de la batería y pasan al otro lado de la batería. provocando un cortocircuito Si haces que el material sea completamente insoluble, Ese proceso no sucederá. Por lo tanto, pudimos realizar más de 2000 ciclos de carga con una degradación mínima”, afirma Dincă.

fuerte desempeño

Las pruebas realizadas con este material muestran que su conductividad y capacidad de almacenamiento son comparables a las de las baterías tradicionales basadas en cobalto. Además, las baterías con cátodos TAQ pueden cargarse y descargarse más rápido que las baterías existentes. que puede acelerar la tasa de carga de los coches eléctricos

Para estabilizar la materia orgánica y aumentar su capacidad de adherirse a los acumuladores de corriente de la batería, que son de cobre o aluminio. Los investigadores agregaron materiales de relleno como celulosa y caucho. Estas cargas constituyen menos de una décima parte de la composición total del cátodo. Por tanto, no reduce significativamente la capacidad de la batería.

Estos rellenos también ayudan a prolongar la vida útil del cátodo de la batería al evitar que se agriete cuando los iones de litio fluyen hacia el cátodo mientras la batería se carga.

Los principales materiales necesarios para producir este tipo de cátodo son precursores de quinona y precursores de amina. Están disponibles comercialmente y se producen en grandes cantidades como productos químicos básicos. Los investigadores estiman que los costos de material para ensamblar estas baterías orgánicas podrían ser entre un tercio y la mitad del costo de las baterías de cobalto.

Lamborghini ha patentado esta tecnología. El laboratorio de Dincă tiene previsto seguir desarrollando materiales alternativos para baterías. Y está explorando la posibilidad de sustituir el litio por sodio o magnesio. Es más barato y más abundante que el litio.