A finales de los 70, Stanley Whittingham fue el primero en describir el concepto de las baterías de ion de litio recargables, un logro por el que compartió el Premio Nobel de Química en el 2019. Sin embargo, ni siquiera él pudo haber anticipado los complejos desafíos de la ciencia de materiales que surgirían cuando estas baterías empezaron a aportar energía a los aparatos electrónicos portátiles.
Un problema técnico persistente es que cada vez que una batería de ion de litio es instalada en un aparato, al menos una quinta parte de su capacidad energética se pierde antes de que el aparato pueda ser recargado por primera vez. Eso pasa cada vez que se instalada en un portátil, una cámara, un reloj de pulsera o incluso en un vehículo eléctrico.
La causa de esta pérdida son las impurezas que se forman en los cátodos ricos en níquel: el lado positivo de una batería a través del cual se descarga la energía almacenada.
Para encontrar una manera de retener esa capacidad perdida, Whittingham lideró un equipo de investigadores que incluyó a sus colegas de la Universidad Estatal de Nueva York y a científicos del departamento de energía de Brookhaven y del Ridge National Laboratories. El equipo usó rayos X y neutrones para comprobar si tratar un material de cátodo con óxido de niobio libre de litio puede favorecer una batería que dure más. El resultado del estudio, publicado en ACS Energy Letters, parece indicar que el problema ha sido resuelto.
“Probamos NMC 811 en un material de óxido de cátodo tras predecir que el óxido de niobio libre de litio formaría una nanocapa de óxido de niobio y litio en la superficie que conduciría los iones de litio y les permitiría penetrar en el material de cátodo”, ha declarado Whittingham.
Las baterías de litio tienes cátodos realizados con capas alternativas de litio y de materiales de óxido ricos en níquel (compuestos químicos que contienen al menos un átomo de oxígeno), porque el níquel es relativamente barato y ayuda a lograr una mayor densidad energética y una mayor capacidad de almacenamiento a un coste menor que otros metales.
Sin embargo, el níquel en los cátodos es un tanto inestable y, por tanto, reacciona fácilmente con otros elementos, lo que provoca que la superficie de cátodo esté cubierta por purezas indeseables que reducen la capacidad de almacenamiento de la batería en entre un diez y un dieciocho por ciento durante su primer ciclo de carga y descarga.
