Las baterías convierten la energía eléctrica con la que se cargan, en energía química para almacenarla hasta el momento de su uso. Tienen tres partes básicas: dos electrodos, el cátodo y el ánodo y, entre ellos, el electrolito líquido. A medida que la batería se carga y se descarga, los iones de litio se desplazan hacia adelante y hacia atrás entre los dos electrodos, donde se insertan en los materiales del electrodo. Cuantos más iones puede absorber y liberar un electrodo en relación con su tamaño y peso (un factor conocido como capacidad), más energía puede almacenar y más pequeña y ligera puede ser una batería, permitiendo que las baterías se hagan más pequeñas y el rendimiento del coche, smartphone o cámara, sea mayor.
«El cátodo de las baterías actuales de iones de litio – explica William Chueh, líder del estudio publicado en Nature – opera a solo la mitad de su capacidad teórica, lo que significa que debería poder durar el doble de tiempo por carga. El problema es que no se puede cargar por completo. Es como un cubo que se llena con agua, pero solo se puede verter la mitad del agua. Este es uno de los grandes desafíos en el campo en este momento”.
Una posibilidad para resolver esto es recurrir a los cátodos ricos en litio, formados por capas de litio intercaladas con capas de óxidos de metales de transición (elementos como níquel, manganeso o cobalto combinados con oxígeno). Agregar litio a la capa de óxido aumenta la capacidad del cátodo entre un 30 a 50%. Cuando los cátodos ricos en litio se cargan los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo. Simultáneamente, algunos átomos de metal de transición se desplazan para ocupar su lugar. Mientras tanto, los átomos de oxígeno liberan algunos de sus electrones, estableciendo la corriente eléctrica y el voltaje para la carga.
“Cuando los iones de litio y los electrones regresan al cátodo durante la descarga – añade Chueh en un comunicado –, la mayoría de los átomos del metal de transición regresan a sus puntos originales, pero no a todos y no de inmediato. Con cada ciclo, este vaivén cambia la estructura atómica del cátodo. Es como si el cubo se transformara en un cubo más pequeño y ligeramente diferente”.
Así, el mismo proceso químico que le da a las baterías su alta capacidad, también está vinculado a cambios en la estructura atómica que son los que provocan una reducción en el rendimiento. Este nuevo conocimiento permitirá diseñar materiales de baterías que puedan alcanzar su capacidad teórica y no perder voltaje con el tiempo.
Juan Scaliter
