Una batería a base de níquel que podría durar 100 años a 25ºC

Las baterías de iones de litio de un teléfono móvil duran entre tres y cinco años, mientras que en un coche eléctrico deben durar más de una década. La enorme demanda actual exige un gran despliegue de investigación sobre los materiales utilizados en el campo del almacenamiento.

En esta ocasión, científicos de equipo de investigación financiado por el programa NSERC/Tesla Canada Industrial Research Chair de la Universidad de Dalhousie, en Nueva Escocia (Canadá), entre los que destacan Jeff Dahn y Michael Metzger, han publicado un artículo en el Journal of The Electrochemical Society titulado “Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2 as a Superior Alternative to LiFePO4 for Long-Lived Low Voltage Li-Ion Cells” en el que se habla de una nueva batería cuya química del cátodo está basada en níquel, que supera en durabilidad a las química LFP y mantiene la densidad de energía de las NCM.

Según los detalles descritos en el artículo, la química potencial de una batería a base de níquel, un material más fácil de encontrar en el mercado, podría durar 100 años en las condiciones adecuadas, como mantener la temperatura a 25 grados centígrados.

“Las pilas monocristalinas de Li[Ni0,5Mn0,3Co0,2]O2//grafito (NMC532) con grafito suficiente para funcionar a 3,80 V (en lugar de ≥4,2 V) se sometieron a ciclos de carga a 3,65 V o a 3,80 V para facilitar la comparación con las pilas de bolsa de LiFePO4//grafito (LFP) sobre la base de un potencial de carga máximo similar y una utilización similar del electrodo negativo.

Las celdas NMC532, cuando se construyen sólo con grafito suficiente para ser cargadas a 3,80 V, tienen una densidad de energía que excede la de las celdas LFP y una vida útil que supera ampliamente la de las celdas LFP a 40 °C, 55 °C y 70 °C.

El estudio indica que “se ha demostrado una excelente vida útil a alta temperatura con electrolitos que contienen sal de bis(fluorosulfonil)imida de litio (LiFSI), muy superior a la que proporcionan los electrolitos LiPF6 convencionales”.

“Se utilizan la culombimetría de ultraprecisión y la espectroscopia de impedancia electroquímica para complementar los resultados de los ciclos e investigar las razones del mejor rendimiento de las celdas NMC. Las celdas NMC, en particular las equilibradas y cargadas a 3,8 V, muestran una mayor eficiencia coulómbica, menos desvanecimiento de la capacidad y una mayor densidad energética en comparación con las celdas LFP, y se prevé que tengan una vida útil cercana a un siglo a 25 °C”, apunta el artículo.

Conclusiones

“Las células NMC532 equilibradas para el funcionamiento a baja tensión se sometieron a ciclos de 3,65 V y 3,80 V para compararlas con las células LFP a potenciales de célula equivalentes y sin un exceso considerable de grafito, como en una célula convencional que contiene NMC. A todas las temperaturas de ciclado consideradas, las celdas NMC532 de bajo voltaje proporcionaron una retención de la capacidad superior en comparación con las celdas LFP y las celdas NMC532 equilibradas para y operadas hasta 4,20 V. Por lo tanto, los diseños de celdas similares con materiales similares deberían recibir consideración para las aplicaciones que exigen los mayores tiempos de vida”.

Entre otras muchas ventajas, “estas células han demostrado ser compatibles con electrolitos que contienen LiFSI, lo que evita los problemas de corrosión a alta tensión y da lugar a tiempos de vida a alta temperatura muy superiores a los de las células con electrolito LiPF6 convencional.

Se completaron los análisis UHPC, EIS y μXRF para comprender el mejor rendimiento de las celdas NMC532, comparadas entre sí y con las celdas LFP. No parece haber daños en el electrodo positivo y la pasivación del electrodo negativo se identifica como la causa más probable del desvanecimiento de la capacidad. El NMC532 puede mostrar una sinergia con los electrodos negativos de grafito que no existe cuando se utiliza el LFP y puede ofrecer una explicación a la superior retención de capacidad de las células NMC en comparación con las células LFP, incluso cuando se cicla a voltajes similares. A pesar de que las pilas LFP muestran un excelente control de la impedancia y retención de la capacidad en ciclos de larga duración, el CE y el desvanecimiento de la capacidad en las pruebas UHPC sugieren una capacidad inferior para evitar la pérdida de inventario de litio en comparación con las pilas NMC. El electrolito que contiene LiFSI en las celdas NMC532 muestra un menor CE, un mayor deslizamiento del punto final de carga y, sin embargo, una mejor desvanecimiento y retención de la capacidad a largo plazo.

Hay algunos indicios, continúa el estudio, que sugieren una lanzadera o reacciones de compensación en los electrodos positivo y negativo, pero esto requiere más estudios. Se ha demostrado una gran compatibilidad de este diseño de célula y del electrolito LiFSI con los disolventes de acetato de metilo. En general, las células NMC532 de bajo voltaje superan a las células LFP en cuanto a vida útil y densidad energética volumétrica. Esto debería justificar la consideración del uso cuando la densidad energética de las células LFP es insuficiente y la vida útil del dispositivo es más importante que los costes iniciales”.

Coste y seguridad

“Esto no descarta inmediatamente las células LFP como tecnología de almacenamiento viable, ya que se cree que el coste inicial y la seguridad seguirían siendo superiores”, y concluye incidiendo en la necesidad de “seguir analizando estas métricas. Los trabajos futuros sobre células NMC de bajo voltaje incluyen la aplicación de este diseño de célula a aplicaciones de carga rápida, el uso de materiales NMC con bajo contenido de cobalto y alto contenido de níquel y el uso de electrodos positivos mezclados de NMC y LFP”.