EDUCACIÓN

Científicos diseñan una batería sin cobalto para una energía más limpia y ecológica



Las baterías recargables fiables y de alta capacidad son un componente fundamental de muchos dispositivos e incluso de medios de transporte. Desempeñan un papel clave en el cambio hacia un mundo más verde. En su producción se utiliza una amplia variedad de elementos, incluido el cobalto, cuya producción contribuye a algunos problemas ambientales, económicos y sociales.

Desde hace décadas, los LIB han sido la forma estándar de alimentar máquinas y dispositivos electrónicos portátiles o móviles.

Por primera vez, un equipo que incluye investigadores de la Universidad de Tokio presenta una alternativa viable al cobalto que, en algunos aspectos, puede superar la química de baterías de última generación. También sobrevive a una gran cantidad de ciclos de recarga y la teoría subyacente se puede aplicar a otros problemas. La investigación ha sido publicada en Nature Sustainability .

Lo más probable es que estés leyendo este artículo en una computadora portátil o un teléfono inteligente y, si no, probablemente tengas al menos uno de ellos. Dentro de cualquiera de los dispositivos, y de muchos otros, encontrará una batería de iones de litio (LIB). Desde hace décadas, los LIB han sido la forma estándar de alimentar máquinas y dispositivos electrónicos portátiles o móviles. A medida que el mundo hace la transición desde los combustibles fósiles , se los considera un paso importante para su uso en automóviles eléctricos y baterías domésticas para aquellos con paneles solares. Pero así como las baterías tienen un extremo positivo y un extremo negativo, las LIB tienen puntos negativos comparados con los positivos.

Por un lado, aunque son algunas de las fuentes de energía portátiles con mayor densidad de energía disponibles, muchas personas desearían que las LIB pudieran producir una mayor densidad de energía para que duren más o alimenten máquinas aún más exigentes. Además, pueden sobrevivir a una gran cantidad de ciclos de recarga, pero también se degradan con el tiempo; Sería mejor para todos si las baterías pudieran sobrevivir a más ciclos de recarga y mantener su capacidad durante más tiempo. Pero quizás el problema más alarmante de las LIB actuales resida en uno de los elementos utilizados para su construcción.

El cobalto se utiliza ampliamente para una parte clave de las LIB, los electrodos. Todas las baterías funcionan de manera similar: dos electrodos, uno positivo y otro negativo, promueven el flujo de iones de litio entre ellos en lo que se llama electrolito cuando se conectan a un circuito externo. El cobalto, sin embargo, es un elemento raro ; De hecho, es tan raro que en la actualidad sólo existe una fuente principal: una serie de minas ubicadas en la República Democrática del Congo.

A lo largo de los años se han informado muchas cuestiones sobre las consecuencias ambientales de estas minas, así como sobre las condiciones laborales allí, incluido el uso de mano de obra infantil. También desde la perspectiva de la oferta, la fuente de cobalto es un problema debido a la inestabilidad política y económica en la región.

“Hay muchas razones por las que queremos dejar de utilizar cobalto para mejorar las baterías de iones de litio “, afirmó el profesor Atsuo Yamada del Departamento de Ingeniería de Sistemas Químicos.

“Para nosotros el desafío es técnico, pero su impacto podría ser ambiental, económico, social y tecnológico. Nos complace informar sobre una nueva alternativa al cobalto mediante el uso de una novedosa combinación de elementos en los electrodos, incluidos litio, níquel y manganeso. , silicio y oxígeno, todos ellos elementos mucho más comunes y menos problemáticos de producir y trabajar con ellos”.

Los nuevos electrodos y electrolitos que Yamada y su equipo crearon no sólo carecen de cobalto, sino que en algunos aspectos mejoran la química de la batería actual.

La densidad de energía de los nuevos LIB es aproximadamente un 60% mayor, lo que podría equivaler a una vida útil más larga, y pueden entregar 4,4 voltios, a diferencia de aproximadamente 3,2 a 3,7 voltios de los LIB típicos. Pero uno de los logros tecnológicos más sorprendentes fue la mejora de las características de recarga.

Las baterías de prueba con la nueva química pudieron cargarse y descargarse completamente en más de 1000 ciclos (simulando tres años de uso y carga completos), mientras que solo perdieron alrededor del 20% de su capacidad de almacenamiento.

“Estamos encantados con los resultados hasta ahora, pero llegar hasta aquí no estuvo exento de desafíos. Fue una lucha tratar de suprimir varias reacciones indeseables que estaban teniendo lugar en las primeras versiones de nuestras nuevas químicas de baterías que podrían haber reducido drásticamente la longevidad de la batería. baterías”, dijo Yamada.

“Y todavía nos queda mucho camino por recorrer, ya que aún quedan reacciones menores que mitigar para mejorar aún más la seguridad y la longevidad. En la actualidad, confiamos en que esta investigación conducirá a baterías mejoradas para muchas aplicaciones, pero algunas, donde se requiere durabilidad y vida útil extremas, es posible que aún no estén satisfechos”.

Aunque Yamada y su equipo estaban explorando aplicaciones en LIB, los conceptos que subyacen a su desarrollo reciente se pueden aplicar a otros procesos y dispositivos electroquímicos, incluidos otros tipos de baterías, división de agua (para producir hidrógeno y oxígeno), fundición de minerales, electrorrecubrimiento. y más.

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