La batería LMR puede cambiar los vehículos eléctricos
Las baterías de litio con alto contenido en manganeso, denominadas LMR (Lithium Manganese-Rich), han sido identificadas como una de las opciones con mayor potencial para reducir el costo de las baterías en vehículos eléctricos. Su principal atractivo radica en el uso extensivo de manganeso, un material más asequible que el níquel y que permite prescindir del cobalto en el cátodo. No obstante, esta química aún enfrenta desafíos en términos de estabilidad. En la actualidad, un reciente estudio llevado a cabo por LG Energy Solution en colaboración con la Universidad Nacional de Seúl sugiere una posible solución para superar este desafío.
El propósito de la investigación es esclarecer los motivos por los cuales las celdas LMR generan gases durante los procesos de carga y descarga, así como determinar la incidencia de dicho fenómeno en su capacidad para mantener el rendimiento a lo largo de los ciclos.
El oxígeno es la clave.
Tras una profunda investigación, se ha llegado a la conclusión de que el comportamiento del oxígeno presente en el material del cátodo es el factor central del problema. Las baterías LMR exhiben la capacidad de almacenar energía a través de reacciones de metales de transición, tales como el níquel y el manganeso, así como mediante el aprovechamiento del oxígeno contenido en el propio material. Durante el proceso de carga, parte del oxígeno contenido se oxida. En caso de que la descarga no se complete con éxito, lo que podría dar lugar a alteraciones en la estructura interna del electrodo y a la liberación de gases, es preciso recuperar de forma suficiente el estado original del electrodo. En el interior de una celda de mayor tamaño, el gas cuenta con un espacio reducido para su expansión, lo que puede resultar en un aumento de la presión interna y una aceleración de la pérdida de rendimiento.
El estudio ha permitido establecer una relación entre la recuperación del oxígeno y dos parámetros específicos del funcionamiento de la batería: la tensión máxima alcanzada durante la carga y la tensión mínima hasta la que se descarga. Tras una profunda investigación, los expertos han comprobado que la reducción del límite superior de carga de 4,6 a 4,3 voltios conlleva un aumento considerable en la proporción de oxígeno oxidado que puede recuperarse, pasando del 86% al 97%. Por otra parte, al disminuir el umbral inferior de descarga de los habituales 3,0 voltios a 2,0 voltios, el oxígeno podía retornar prácticamente a su condición inicial.
En base a los resultados obtenidos, se procedió al rediseño de las condiciones de funcionamiento de una celda LMR de gran formato y con una capacidad aproximada de 40 Ah. El trabajo no se limitó a la modificación del rango de tensión, sino que también introdujo cambios en el proceso de formación de las celdas, una etapa especialmente relevante en la fabricación de baterías. Se implementó un proceso de formación a baja temperatura con el objetivo de reducir la generación de gases asociada al formato de gran capacidad.
Llevar las conclusiones a mayor escala.
Los resultados obtenidos evidencian la capacidad de los parámetros operativos para influir en la viabilidad de esta tecnología química: las celdas de 40 Ah conservaron el 92,2% de su energía inicial tras 883 ciclos completos de carga y descarga. El dato resulta relevante porque el desafío de las LMR no se centra únicamente en alcanzar una elevada densidad energética o reducir el coste de las materias primas, sino en preservar dichas prestaciones durante miles de kilómetros de uso.
El siguiente desafío será trasladar estos resultados a celdas de mayor tamaño y a condiciones de funcionamiento que se asemejen a las de un vehículo eléctrico producido en serie. La investigación no implica que las baterías LMR estén preparadas para reemplazar de inmediato a las químicas actualmente utilizadas. Sin embargo, sí evidencia una ruta específica para abordar uno de los obstáculos que más ha restringido su escalado.
El profesor Jongwoo Lim, de la Universidad Nacional de Seúl, ha hecho la siguiente declaración: «Este estudio identificó las causas de la degradación en las baterías LMR desde la perspectiva de la reversibilidad del oxígeno y demostró que la estabilidad de la celda puede mejorarse únicamente mediante el diseño de protocolos electroquímicos. Es crucial destacar que lograr una estabilidad a largo plazo en las baterías LMR requiere una evaluación exhaustiva de las condiciones de carga y descarga.
Escrito por José Miguel Fernández Gómez.
