Materiales orgánicos sustituyen al cobalto en nuevas baterías

Una nueva batería de iones de litio para alimentar coches eléctricos incluye un cátodo a base de materiales orgánicos en lugar de cobalto o níquel, haciendo su fabricación más sostenible.

Muchos vehículos eléctricos funcionan con baterías que contienen cobalto, un metal que conlleva altos costos financieros, ambientales y sociales.

En un nuevo estudio, investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology) demostraron que este material, que podría producirse a un costo mucho menor que las baterías que contienen cobalto, puede conducir electricidad a velocidades similares a las de las baterías de cobalto. La nueva batería también tiene una capacidad de almacenamiento comparable y se puede cargar más rápido que las baterías de cobalto.

"Creo que este material podría tener un gran impacto porque funciona muy bien", dice en un comunicado el autor Mircea Dinca, profesor de Energía en el MIT. "Ya es competitivo con las tecnologías existentes y puede ahorrar muchos costos, dolores y problemas ambientales relacionados con la extracción de los metales que actualmente se utilizan en las baterías".

La mayoría de los coches eléctricos funcionan con baterías de iones de litio, un tipo de batería que se recarga cuando los iones de litio fluyen desde un electrodo cargado positivamente, llamado cátodo, a un electrodo negativo, llamado ánodo. En la mayoría de las baterías de iones de litio, el cátodo contiene cobalto, un metal que ofrece alta estabilidad y densidad energética.

Sin embargo, el cobalto tiene importantes desventajas. Un metal escaso, su precio puede fluctuar dramáticamente y gran parte de los depósitos de cobalto del mundo están ubicados en países políticamente inestables. La extracción de cobalto crea condiciones de trabajo peligrosas y genera desechos tóxicos que contaminan la tierra, el aire y el agua que rodean las minas.

"Las baterías de cobalto pueden almacenar mucha energía y tienen todas las características que interesan a la gente en términos de rendimiento, pero tienen el problema de no estar ampliamente disponibles y el costo fluctúa ampliamente con los precios de las materias primas. Y, a medida que se hace la transición a una proporción mucho mayor de vehículos electrificados en el mercado de consumo, sin duda se volverá más caro", afirma Dinca.

El nuevo material sustitutivo del cobalto consta de muchas capas de TAQ (bis-tetraaminobenzoquinona), una pequeña molécula orgánica que contiene tres anillos hexagonales fusionados. Estas capas pueden extenderse hacia afuera en todas direcciones, formando una estructura similar al grafito. Dentro de las moléculas hay grupos químicos llamados quinonas, que son reservorios 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 también muy insoluble. Esa insolubilidad es importante porque evita que el material se disuelva en el electrolito de la batería, como lo hacen algunos materiales orgánicos de la batería, extendiendo así su vida útil.

"Uno de los principales métodos de degradación de los materiales orgánicos es que simplemente se disuelven en el electrolito de la batería y cruzan al otro lado de la batería, creando esencialmente un cortocircuito. Si el material se vuelve completamente insoluble, ese proceso no ocurre, por lo que podemos llegar a más de 2000 ciclos de carga con una degradación mínima", dice Dinca.

Las pruebas de este material mostraron que su conductividad y capacidad de almacenamiento eran comparables a las de las baterías tradicionales que contienen cobalto. Además, las baterías con cátodo TAQ se pueden cargar y descargar más rápido que las baterías existentes, lo que podría acelerar la velocidad de carga de los vehículos eléctricos.