El hierro podría ser clave para abaratar las baterías de iones de litio

Una colaboración de químicos ha demostrado que se puede utilizar hierro en lugar de cobalto y níquel como material catódico en baterías de iones de litio, abaratando así los coches eléctricos.

“Hemos transformado la reactividad del hierro metálico, el producto metálico más barato”, dijo. “Nuestro electrodo puede ofrecer una mayor densidad de energía que los materiales catódicos de última generación en vehículos eléctricos. Y dado que utilizamos hierro, cuyo coste puede ser inferior a un dólar por kilogramo (una pequeña fracción del níquel y el cobalto, que son indispensables en las actuales baterías de iones de litio de alta energía), el coste de nuestras baterías es potencialmente mucho menor”, explicó en un comunicado Xiluei Ji, de la Universidad de Oregon State, uno de los autores del estudio.

En la actualidad, el cátodo representa el 50% del costo de fabricar una celda de batería de iones de litio, dijo Ji. Más allá de la economía, los cátodos a base de hierro permitirían una mayor seguridad y sostenibilidad, añadió.

A medida que se fabrican más y más baterías de iones de litio para electrificar el sector del transporte, la demanda mundial de níquel y cobalto se ha disparado. Ji señala que en cuestión de un par de décadas, la escasez prevista de níquel y cobalto frenará la producción de baterías como se hace actualmente.

Además, la densidad de energía de esos elementos ya se está extendiendo hasta su nivel máximo: si se aumentara más, el oxígeno liberado durante la carga podría causar que las baterías se incendiaran; además, el cobalto es tóxico, lo que significa que puede contaminar los ecosistemas y las fuentes de agua si se filtra de vertederos.

Si lo sumamos todo, dijo Ji, es fácil entender la búsqueda global de químicas de baterías nuevas y más sostenibles. Este avance se ha publicado en la revista Science Advances.

Una batería almacena energía en forma de energía química y, mediante reacciones, la convierte en energía eléctrica necesaria para alimentar vehículos, teléfonos móviles, computadoras portátiles y muchos otros dispositivos y máquinas. Existen varios tipos de baterías, pero la mayoría funcionan de la misma manera básica y contienen los mismos componentes básicos.

Una batería consta de dos electrodos (el ánodo y el cátodo, normalmente hechos de diferentes materiales), así como de un separador y un electrolito, un medio químico que permite el flujo de carga eléctrica. Durante la descarga de la batería, los electrones fluyen desde el ánodo hacia un circuito externo y luego se acumulan en el cátodo.

En una batería de iones de litio, como su nombre indica, la carga se transporta a través de iones de litio a medida que se mueven a través del electrolito desde el ánodo al cátodo durante la descarga, y viceversa durante la recarga.

“Nuestro cátodo a base de hierro no se verá limitado por la escasez de recursos”, afirmó Ji, explicando que el hierro, además de ser el elemento más común en la Tierra medido en masa, es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre. “No nos quedaremos sin hierro hasta que el sol se convierta en una gigante roja”.

Ji y sus colaboradores de múltiples universidades y laboratorios nacionales aumentaron la reactividad del hierro en su cátodo mediante el diseño de un entorno químico basado en una mezcla de aniones de flúor y fosfato, iones con carga negativa.

La mezcla, bien mezclada como una solución sólida, permite la conversión reversible (lo que significa que la batería se puede recargar) de una fina mezcla de polvo de hierro, fluoruro de litio y fosfato de litio en sales de hierro.

“Hemos demostrado que el diseño de materiales con aniones puede superar el límite de densidad de energía para baterías que son más sostenibles y cuestan menos”, dijo Ji. “No usamos sal más cara junto con hierro, solo la que ha estado usando la industria de las baterías y luego polvo de hierro. Para poner este nuevo cátodo en aplicaciones, no es necesario cambiar nada más: ni nuevos ánodos, ni nuevas líneas de producción, ni ningún nuevo diseño de la batería. Sólo estamos reemplazando una cosa: el cátodo”.

Aún es necesario mejorar la eficiencia del almacenamiento, afirmó Ji. En este momento, no toda la electricidad que se introduce en la batería durante la carga está disponible para su uso al descargarla. Cuando se realicen esas mejoras, y Ji espera que así sea, el resultado será una batería que funcionará mucho mejor que las que se utilizan actualmente, además de costar menos y ser más ecológica.

“Si se invierte en esta tecnología, no debería pasar mucho tiempo antes de que esté disponible comercialmente”, afirmó Ji, que ostenta el título de Profesor Bert y Emelyn Christensen. “Necesitamos que los visionarios de la industria asignen recursos a este campo emergente. El mundo puede tener una industria de cátodos basada en un metal que es casi gratuito en comparación con el cobalto y el níquel. Y si bien hay que trabajar muy duro para reciclar el cobalto y el níquel, ni siquiera es necesario reciclar el hierro: simplemente se oxida si lo dejas ir”.