Los materiales de óxido de níquel-manganeso-cobalto (NMC) y de óxido de níquel-cobalto-aluminio (NCA) en capas son el cátodo dominante en la actualidad debido a su aplicabilidad en los vehículos eléctricos y en el almacenamiento estacionario. En las iteraciones actuales, el níquel puede constituir hasta el 60-80% del contenido de metal.

Para mejorar esta clase de materiales, muchos han intentado incorporar más níquel en estos cátodos, lo que aumenta su capacidad reversible y puede reemplazar parte del costoso cobalto necesario. El aumento de la capacidad, y por lo tanto de la densidad de energía, es por supuesto muy importante para los coches eléctricos de baterías y IDTechEx prevé que la proporción de NMC "de alto níquel" (>60% de níquel) aumente significativamente en la próxima década; véase el informe de cd IDTechEx "Li-ion Batteries 2020-2030" para más información. Recientemente, la motivación está cambiando hacia la reducción del contenido de cobalto en sí mismo para minimizar la dependencia del controvertido material. IDTechEx calcula que la cantidad de cobalto contenida en el Li-ion para 2030 será de casi 300 kt. Esto será un aumento de más de dos veces la cantidad que se estima que se extraerá en 2019, según los datos del USGS. Los plazos de 5 a 10 años necesarios para construir nuevas minas sugieren que la electrificación del transporte y la integración de las renovables pueden estar en riesgo de escasez de materiales. Más información puede encontrarse en el informe de IDTechEx "The Li-ion Supply Chain 2020-2030". Por lo tanto, el alejamiento del cobalto es deseable desde varios puntos de vista y numerosas empresas y noticias informan sobre la llegada de baterías de bajo contenido de cobalto y sin cobalto. Sin embargo, en general se considera que el metal es fundamental para estabilizar los materiales de NMC/NCA y reducir el contenido de cobalto por debajo del 10% sin degradar gravemente la vida útil del ciclo y la seguridad. Entonces, ¿cuáles son las opciones para alejarse de los cátodos que contienen cobalto?

NMC/NCA - En primer lugar, existe la tendencia general a disminuir el contenido de cobalto de NMC y NCA y, aunque es poco probable que lleguen a ser de cero cobalto, muchos siguen esforzándose por reducir al mínimo el cobalto y aumentar el contenido de níquel. Como se ha señalado anteriormente, el reto consiste en preservar la vida útil y la estabilidad del ciclo, y se están empleando numerosas opciones de materiales y diseños para mejorar estos factores. Se informa de que el NMC 811 (80% de níquel) se está utilizando en varios vehículos eléctricos chinos y el aumento del contenido de níquel continuará con la literatura sobre patentes que muestra que los principales actores están utilizando y explorando materiales con un contenido de níquel superior al 80%; véase el informe de IDTechEx "Li-ion Battery Patent Landscape 2020". La reducción del cobalto y el aumento del contenido de níquel de los óxidos en capas será probablemente la solución para aumentar la capacidad y reducir la dependencia del cobalto, aunque nunca sean completamente de cero cobalto.

NMA - Un documento reciente de U Texas (DOI: 10.1002/adma.202002718) mostró resultados prometedores para un cátodo de óxido de capa cero de cobalto. Aunque hubo una disminución de la capacidad (y por lo tanto de la densidad de energía) la estabilidad del material durante el ciclo, tanto a 25 °C como a 45 °C fue sorprendentemente alta. Se pueden alcanzar temperaturas más altas en aplicaciones exigentes como los VE y será necesario demostrar la estabilidad de su material NMA dada la tasa generalmente más alta de disolución del manganeso, especialmente a temperaturas más altas. Una posible solución a largo plazo para excluir el cobalto, pero la limitada mejora de la capacidad limita el beneficio del rendimiento con respecto al estado actual de la técnica.

LFP - Una tecnología ampliamente comercializada que puede demostrar una larga vida de ciclo, mayor seguridad y puede ser diseñada para una capacidad de alta tasa. Además, es un material de coste relativamente bajo en base a $/kg. Como resultado de estos factores, es muy adecuada para aplicaciones como los autobuses eléctricos, los vehículos de dos ruedas, ciertas aplicaciones estacionarias y ha recibido un renovado interés por los coches eléctricos también. Sin embargo, es un cátodo con una densidad de energía intrínsecamente menor y, si bien hay formas de mejorar la densidad de energía tanto a nivel de célula como de paquete, es poco probable que las baterías LFP sean suficientes para los coches eléctricos de largo recorrido.

LMP/LMFP - El litio-manganeso-fosfato (LMP) comparte la misma estructura cristalina que el LFP pero funciona a un voltaje más positivo, superando una de las principales desventajas del LFP. Sin embargo, la vida útil del ciclo tiende a ser baja, debido al alto contenido de manganeso, mientras que la escasa conductividad electrónica e iónica hace que las capacidades razonables se midan generalmente sólo a bajas tasas de carga/descarga, lo que las hace inadecuadas para los VE. La incorporación de Fe para formar LMFP puede mejorar la conductividad y la vida útil del ciclo, pero reduce el voltaje medio. En última instancia, LMFP puede salvar la brecha entre la LFP y el NMC/NCA pero las capacidades reversibles de la LMP y la LMP son demasiado bajas para alcanzar las densidades de energía a nivel celular de las células que utilizan NMC o NCA.

LNMO - El óxido de litio-manganeso-níquel (LNMO), separado de los óxidos de las capas NMC/NCA/NMA, es un cátodo que opera a un alto voltaje de 4,7 V vs Li/Li+, hasta un 25% más alto que el NMC, y también se ha mostrado prometedor como material de alta tasa. Desafortunadamente, las mejoras en la densidad de energía se pierden efectivamente debido a que el NMC tiene una capacidad comparativamente baja de alrededor de 120 mAh/g, mientras que el alto voltaje de operación requerirá desarrollos en el electrolito para asegurar la estabilidad y el funcionamiento seguro. Es poco probable que se produzcan mejoras en la densidad de energía a nivel de la célula, pero el alto voltaje podría permitir que el coste y el rendimiento a nivel de la batería sean beneficiosos, siempre que se pueda demostrar la estabilidad del electrolito.

Ricos en Li y Mn (LMR-NMC) - Un cátodo que no necesariamente está libre de cobalto pero que puede reducir el contenido de cobalto en comparación con el NMC actual y también un menor coste a través de un contenido de Mn comparativamente alto. Este material es una de las pocas opciones para mejorar significativamente la capacidad de los cátodos de Li-ion. El LMR-NMC puede mostrar una mejora de capacidad del 20-30% sobre el actual NCA de última generación, pero está plagado de problemas de vida útil y estabilidad. Otro proyecto a largo plazo y ejemplo de la compensación a menudo vista entre la alta densidad de energía y la vida del ciclo.

El mercado de Li-ion está continuamente presionando para que se desarrollen nuevas tecnologías, con el impulso de reducir el contenido de cobalto de los cátodos de NMC y NCA, que ha recibido recientemente una considerable atención. Sin embargo, hacerlo sin afectar negativamente el rendimiento general es un gran desafío y no se garantizan los beneficios en materia de costes, dados los porcentajes relativamente bajos de cobalto que ya se utilizan en las formulaciones de cátodos de última generación y la mayor dificultad de sintetizar óxidos de baja y alta densidad de cobalto/alta densidad de níquel. Otras clases de materiales catódicos tienen su propia lista de ventajas y desventajas. Por supuesto, no hay que subestimar los efectos éticos de la minería del cobalto y es probable que las empresas tengan que reducir al mínimo su necesidad de este metal a mediano y largo plazo para disminuir los riesgos de suministro.

Como se espera que quede claro en este artículo, no existe una tecnología de cátodo "bala de plata" y como tal seguirá habiendo diferenciación en las soluciones adoptadas, dependiendo del mercado, la aplicación y la preferencia del cliente.

Autor: Dr. Alex Holland, analista de tecnología de IDTechEx