22 años de personalización de baterías
Aug 12, 2021 Pageview：556
Las baterías de iones de litio han ganado popularidad durante la última década debido a su gran potencia y pequeño tamaño. No obstante, su popularidad está ejerciendo presión sobre el suministro de níquel y cobalto. Estos son los dos metales necesarios en las baterías de litio. Como resultado, los precios de ciertos metales se han cuadriplicado. Debido a que el cobalto es el material más costoso utilizado en las baterías, se suponía que eliminarlo de la mezcla permitiría que los vehículos eléctricos fueran tan económicos como los automóviles a gasolina. El material se utiliza en baterías de iones de litio, que alimentan vehículos eléctricos, y la demanda está aumentando.
Las limitaciones de abastecimiento con cobalto, que se obtiene principalmente de la República Democrática del Congo, requieren la búsqueda de alternativas menos costosas y más abundantes con un rendimiento equivalente, que es un énfasis cada vez mayor. La incierta situación política en el Congo y los países adyacentes también ha provocado fluctuaciones de precios que están causando preocupación entre los fabricantes.
Aparte del costo monetario, la extracción del metal también tiene un costo humano. La República Democrática del Congo produce el 60% del suministro mundial, que se ha relacionado con el trabajo infantil y las muertes.
Alternativas al cobalto en las baterías
Trabajar con una batería diferente proporcionará nuevos desafíos. El intento de usar menos cobalto en las baterías ha aumentado la demanda de otro metal que pueda reemplazarlo:
1 níquel
Los fabricantes han intentado aumentar la cantidad de níquel que se utiliza en las baterías de los coches eléctricos para mejorar la densidad energética y, al mismo tiempo, reducir el uso de cobalto para reducir los precios. La presencia de más níquel en una batería indica que puede almacenar más energía. Con cada carga, la densidad de energía mejorada puede resultar en una mayor duración de la batería para un teléfono o una mejor autonomía para un automóvil eléctrico.
Sin embargo, aumentar el porcentaje de níquel reduce la estabilidad de la batería, lo que afecta el ciclo de vida y la capacidad de cargarla rápidamente. No hay mejor elemento para mejorar la densidad de energía que el níquel, y no hay mejor elemento para mantener estable el material que el cobalto ”, dice el director ejecutivo de Umicore, Marc Grynberg.
2.Fosfato de hierro-litio
Las baterías de litio-hierro-fosfato son significativamente menos costosas y no tienen los mismos problemas ambientales que las baterías que requieren cobalto. Para los automóviles de corto alcance fabricados en China, Tesla ha decidido utilizar fosfato de hierro y litio en lugar de cobalto. Estas baterías tienen una densidad de energía más baja y esto es un inconveniente, ya que limita la distancia que puede viajar un automóvil antes de tener que recargarlo. Otras empresas chinas, en particular BYD, el mayor fabricante de automóviles eléctricos del mundo, ya utilizan baterías de fosfato de hierro y litio. Si más fabricantes de automóviles eléctricos siguen su ejemplo a escala mundial, es posible que podamos reducir nuestra dependencia de un suministro de minerales finitos.
3.Floruro de hierro
Los investigadores de Georgia Tech crearon un nuevo cátodo de fluoruro de hierro y un Nanocompuesto de electrolito de polímero sólido. La capacidad de los fluoruros de hierro es más del doble que la de los cátodos típicos a base de cobalto o níquel. Además, el costo del hierro es un tercio del cobalto y un quinto del níquel. Los investigadores crearon dicho cátodo insertando un electrolito de polímero sólido en un electrodo de fluoruro de hierro prefabricado. A continuación, toda la construcción se prensó con calor para mejorar la densidad y eliminar los huecos.
Dado que este electrolito a base de polímero es flexible, puede tolerar la hinchazón del fluoruro de hierro mientras se cicla y crea una interfase estable y flexible con el fluoruro de hierro. La hinchazón y los efectos adversos siempre han sido problemas importantes al utilizar fluoruro de hierro en las baterías.
Los cátodos construidos con fluoruro de hierro tienen un gran potencial, sin embargo, las fluctuaciones de volumen durante el ciclo, así como las reacciones secundarias parasitarias con electrolitos líquidos y otros problemas de degradación, han limitado históricamente su uso.
Reducir el cobalto en las baterías
La industria ha reconocido los peligros de la dependencia del cobalto, y muchos productores de baterías y usuarios finales se han fijado elevados objetivos para la transición a cátodos con bajo o nulo cobalto. Existen razones económicas, de seguridad y sociales para minimizar el contenido de Cobalt. El cobalto se extrae como subproducto de níquel (Ni) y minerales de cobre. Esto implica que la oferta no es independiente de otras empresas de productos básicos y la implementación de nuevas iniciativas de recuperación es costosa. Además, la extracción y el procesamiento en etapa inicial se concentran en unas pocas naciones. Como resultado, es prudente reducir sustancialmente la concentración de cobalto en las baterías de iones de litio.
Muchas de las iniciativas de investigación se centran en materiales con alto contenido de Ni con alta densidad de energía. El problema con la utilización de materiales de cátodo con alto contenido de Ni es que sufren un rápido desvanecimiento de la capacidad y un aumento de impedancia debido a interacciones dañinas entre los átomos de Ni en la superficie del cátodo y el electrolito de la celda. Se están llevando a cabo muchas iniciativas para estabilizar o proteger esa superficie para reducir tales respuestas.
Reemplazo de cobalto en baterías
Se están realizando muchas investigaciones para encontrar el reemplazo perfecto para el cobalto y, entre ellas, se encuentra el uso de estructuras de vidrio y cerámica de vidrio de vanadato como materiales catódicos para baterías recargables de iones de litio. En una investigación realizada por ACS Sustainable Chemistry & Engineering? 2021, la capacidad inicial de los materiales de vanadato de vidrio y vitrocerámica era superior a 300 mA h / gy la estabilidad del ciclo era prometedora. En comparación con los equivalentes cristalinos descritos en la bibliografía, el vidrio de vanadato y las vitrocerámicas demostraron un buen rendimiento de velocidad y una capacidad de descarga más profunda (hasta 1,5 V). La conexión entre la estructura de procesamiento y las propiedades del vidrio de vanadato y las vitrocerámicas como nuevos electrodos se investigó mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido, espectroscopía de dispersión de energía (EDS) y espectroscopía Raman.
Aunque el cristal -Li0,33V2O5 que contiene vitrocerámica tiene una mayor capacidad de partida, el vanadato de vidrio amorfo exhibe el mejor rendimiento cíclico estable. A pesar del comportamiento alentador de los electrodos a base de vidrio con una estabilidad estructural mínima, se encontró un deterioro persistente. Según los estudios de Raman y EDS, las celdas basadas en vanadato exhiben disolución de vanadio en el electrolito que viaja al ánodo de metal de litio, que es un problema crítico que debe resolverse para que estos materiales sean más estables y comercialmente viables.
Conclusión
En los últimos años, ha habido un aumento en la investigación para reducir la cantidad de cobalto en las baterías de iones de litio o sustituir el cobalto por metales o compuestos alternativos en las baterías. Por ejemplo, algunos fabricantes de baterías han buscado aumentar la cantidad de níquel en las baterías de los automóviles eléctricos para reemplazar parte del cobalto.
Sin embargo, los expertos advierten que pueden no ser tan rentables y que, sin las mismas propiedades que hacen que el cobalto sea un componente tan atractivo, sustituir el metal de alta demanda por cualquier otra cosa puede comprometer el rendimiento del producto. Las alternativas que usan menos cobalto pueden tardar más años de lo esperado, y es posible que las tecnologías de baterías completamente nuevas no estén listas para pruebas comerciales durante décadas.
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