Evaluación de materiales catódicos para baterías comerciales de ion litio

Abstract

El análisis presentado examina de manera exhaustiva la evolución, importancia y futuro de las baterías de ion litio, con un enfoque particular en los materiales catódicos empleados en su fabricación. Estas baterías son reconocidas como componentes fundamentales en la transición hacia tecnologías más sostenibles, desempeñando un papel crucial en aplicaciones que abarcan desde dispositivos electrónicos hasta herramientas eléctricas y sistemas de almacenamiento de energía, destacando su relevancia en el ámbito de la electro movilidad. El objetivo principal de este estudio es llevar a cabo un análisis comparativo de los diferentes materiales catódicos utilizados en las baterías de ion litio, evaluando tanto su rendimiento técnico como su viabilidad económica para establecer un ranking basado en los costos de producción en la fabricación de vehículos eléctricos. Se exploran en detalle los componentes críticos de las baterías, incluidos el ánodo, el cátodo, el electrolito y el separador, así como su influencia en la eficiencia y seguridad del sistema energético. Además, se destaca el creciente interés de empresas como SQM en el desarrollo de estas tecnologías de baterías y materiales catódicos, los cuales dependen en gran medida de materias primas estratégicas como el carbonato de litio (LC) y el hidróxido de litio (LH), ambos producidos en Chile. Este interés subraya la importancia de la innovación en esta área para maximizar el valor de las materias primas nacionales y potenciar su rol en la cadena global de producción de baterías. En este contexto, se implementan diversos métodos de síntesis para los materiales catódicos, tales como la síntesis en estado sólido, co-precipitación, sol-gel, hidrotermal y combustión. Estas técnicas se evalúan en términos de su capacidad para producir materiales de alta calidad, enfatizando la homogeneidad, pureza y propiedades electroquímicas. Asimismo, se abordan técnicas de mejora como el dopaje y el decubrimiento, orientadas a optimizar las propiedades de los materiales catódicos, incrementando su capacidad, estabilidad y vida útil. Los resultados del análisis técnico evidencian comparaciones entre los materiales catódicos LCO (óxido de cobalto y litio), LMO (óxido de manganeso y litio), LFP (óxido de hierro y litio) y NMC (óxido de níquel, manganeso, cobalto y litio). Tras 100 ciclos, el LCO recubierto con FePO4 exhibe una eficiencia del 97 % y una capacidad específica de 187 mAh/g, mientras que el LMO dopado con Mg-F presenta una eficiencia del 96 % y una capacidad específica de 125 mAh/g. Por su parte, el LFP recubierto con carbono/grafeno logra una eficiencia del 94 % y una capacidad específica de 175 mAh/g, y el NMC dopado con Al muestra una eficiencia del 95 % y una capacidad específica de 210 mAh/g. Desde el punto de vista económico, el análisis realizado mediante el software BAT-PAC determina que el material catódico más rentable para la fabricación de baterías de vehículos eléctricos es el NMC dopado con aluminio, con un costo total del paquete de baterías de $11,533 dólares. Este hallazgo resalta la viabilidad del NMC no solo en términos de rendimiento técnico, sino también en su aplicación práctica en el mercado de la electromovilidad.