Por Anne Trafton Muchos vehículos eléctricos funcionan con baterías que contienen cobalto, un metal que conlleva altos costos financieros, ambientales y sociales. Investigadores del MIT han diseñado un material de batería que podría ofrecer una forma más sostenible de alimentar los coches eléctricos. La nueva batería de iones de litio incluye un cátodo basado en materiales orgánicos, en lugar de cobalto o níquel (otro metal que se usa a menudo en las baterías de iones de litio). En un nuevo estudio, los investigadores demostraron que este material, que podría producirse a un costo mucho menor que las baterías que contienen cobalto, puede conducir la electricidad a velocidades similares a 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, informan los investigadores. "Creo que este material podría tener un gran impacto porque funciona muy bien", dice Mircea Dincă, profesor de energía W.M. Keck en el MIT. "Ya es competitivo con las tecnologías tradicionales, y puede ahorrar gran parte de los costos, el dolor y los problemas ambientales relacionados con la extracción de los metales que actualmente se utilizan en las baterías". Dincă es el autor principal del estudio, que aparece hoy en la revista ACS Central Science. Tianyang Chen, PhD '23, y Harish Banda, ex postdoctorado del MIT, son los autores principales del artículo. Otros autores incluyen a Jiande Wang, postdoctorado del MIT; Julius Oppenheim, estudiante graduado del MIT; y Alessandro Franceschi, investigador de la Universidad de Bolonia. Alternativas al cobalto La mayoría de los autos eléctricos funcionan con baterías de iones de litio, un tipo de batería que se recarga cuando los iones de litio fluyen de 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 una alta estabilidad y densidad de energía. Sin embargo, el cobalto tiene desventajas significativas. Es un metal escaso, su precio puede fluctuar drásticamente, y gran parte de los depósitos de cobalto del mundo se encuentran 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 a la gente le importan en términos de rendimiento, pero tienen el problema de que no están ampliamente disponibles, y el costo fluctúa ampliamente con los precios de los productos básicos. 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", dice Dincă. Debido a los muchos inconvenientes del cobalto, se ha investigado mucho para tratar de desarrollar materiales alternativos para baterías. Uno de esos materiales es el fosfato de hierro y litio (LFP), que algunos fabricantes de automóviles están comenzando a usar en vehículos eléctricos. Aunque sigue siendo útil en la práctica, LFP tiene solo la mitad de la densidad energética de las baterías de cobalto y níquel. Otra opción atractiva son los materiales orgánicos, pero hasta ahora la mayoría de estos materiales no han podido igualar la conductividad, la capacidad de almacenamiento y la vida útil de las baterías que contienen cobalto. Debido a su baja conductividad, estos materiales suelen necesitar ser mezclados con aglutinantes como los polímeros, que les ayudan a mantener una red conductora. Estos aglutinantes, que constituyen al menos el 50 por ciento del material total, reducen la capacidad de almacenamiento de la batería. Hace unos seis años, el laboratorio de Dincă comenzó a trabajar en un proyecto, financiado por Lamborghini, para desarrollar una batería orgánica que pudiera usarse para alimentar autos eléctricos. Mientras trabajaban en materiales porosos que eran en parte orgánicos y en parte inorgánicos, Dincă y sus estudiantes se dieron cuenta de que un material completamente orgánico que habían hecho parecía ser un conductor fuerte. Este material consiste en muchas capas de TAQ (bis-tetraaminobenzoquinona), una pequeña molécula orgánica que contiene tres anillos hexagonales fusionados. Estas capas pueden extenderse hacia afuera en todas las direcciones, formando una estructura similar al grafito. Dentro de las moléculas hay grupos químicos llamados quinonas, que son los depósitos de electrones, y aminas, que ayudan al material a formar fuertes enlaces de hidrógeno. Esos enlaces de hidrógeno hacen que el material sea altamente 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, lo que prolonga 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 haces que el material sea completamente insoluble, ese proceso no ocurre, por lo que podemos pasar a más de 2.000 ciclos de carga con una degradación mínima", dice Dincă. Fuerte rendimiento 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 un 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. Para estabilizar el material orgánico y aumentar su capacidad para adherirse al colector de corriente de la batería, que está hecho de cobre o aluminio, los investigadores agregaron materiales de relleno como celulosa y caucho. Estos rellenos constituyen menos de una décima parte del compuesto total del cátodo, por lo que no reducen significativamente la capacidad de almacenamiento de la batería. Estos rellenos también prolongan la vida útil del cátodo de la batería al evitar que se agriete cuando los iones de litio fluyen hacia el cátodo a medida que se carga la batería. Las materias primas necesarias para fabricar este tipo de cátodo son un precursor de quinona y un precursor de aminas, que ya están disponibles comercialmente y se producen en grandes cantidades como productos químicos básicos. Los investigadores estiman que el costo material de ensamblaje de estas baterías orgánicas podría ser entre un tercio y la mitad del costo de las baterías de cobalto. Lamborghini ha licenciado la patente de la tecnología. El laboratorio de Dincă planea continuar desarrollando materiales alternativos para baterías y está explorando un posible reemplazo del litio con sodio o magnesio, que son más baratos y más abundantes que el litio.