Las baterías de iones de litio siguen siendo el corazón de la electrificación: desde coches eléctricos hasta dispositivos portátiles, su presencia es ya parte del tejido tecnológico cotidiano. Durante años, se ha trabajado en materiales cada vez más robustos, y uno de los avances más prometedores fueron los cátodos de cristal único (single-crystal), diseñados para superar los problemas de agrietamiento comunes en los materiales tradicionales.
Sin embargo, científicos de la University of Chicago y del Argonne National Laboratory descubrieron que estos nuevos materiales también se degradan, y por motivos que hasta ahora habían pasado desapercibidos. A pesar de su diseño más «sólido» en apariencia, las baterías de cátodo de cristal único ocultan una fragilidad inesperada: una tensión interna que crece con el uso, y que termina por agrietar las partículas desde dentro.
Cómo se descubrió el problema
En el estudio publicado en Nature Nanotechnology, los investigadores emplearon herramientas avanzadas como microscopía electrónica de transmisión y técnicas de rayos X de sincrotrón para observar cómo evolucionan los materiales durante los ciclos de carga y descarga. La sorpresa fue evidente: los cristales únicos, que deberían ser más resistentes por carecer de límites entre granos, desarrollaban microfracturas internas que acababan comprometiendo la estructura.
Este daño no se debe a los conocidos procesos de expansión y contracción que afectan a los materiales policristalinos, sino a una heterogeneidad en la reacción química dentro de una sola partícula. Es decir, distintas zonas del mismo cristal reaccionan a velocidades distintas, generando estrés interno. Es como si una manzana se oxidara más rápido en unas zonas que en otras; la diferencia de ritmo provoca tensiones que terminan por romperla.
El error de aplicar las reglas viejas a materiales nuevos
Uno de los hallazgos más reveladores del trabajo liderado por Jing Wang, ahora investigadora postdoctoral, es que los diseños de cátodos de cristal único habían seguido los mismos principios que los diseños policristalinos. Esto, según los investigadores, es un error clave: ambos materiales se comportan de forma muy distinta bajo condiciones reales de uso.
Los cátodos policristalinos están compuestos por muchas partículas pequeñas apiladas. Durante la carga y descarga, estas partículas se expanden y contraen, y con el tiempo, las fronteras entre ellas se debilitan, provocando grietas. Este fenómeno es similar al agrietamiento que sufre el asfalto por el congelamiento y descongelamiento repetido: cada ciclo va deteriorando un poco más la estructura.
Los cátodos de cristal único, en cambio, no tienen estas fronteras, por lo que deberían ser más resistentes. Pero el nuevo estudio muestra que esa ventaja se anula por un mecanismo completamente diferente: las reacciones internas asimétricas que generan tensiones invisibles pero letales.
La química también necesita replantearse
La investigación no sólo pone en tela de juicio el diseño estructural, sino también la composición química de los cátodos. Tradicionalmente, se ha usado una combinación de níquel, manganeso y cobalto (NMC), donde cada elemento cumple un rol. En diseños policristalinos, el cobalto es conocido por facilitar la aparición de grietas, pero necesario para controlar otro fenómeno llamado desorden Li/Ni.
El equipo decidió probar dos versiones experimentales: una con níquel y cobalto (sin manganeso), y otra con níquel y manganeso (sin cobalto). El resultado fue sorprendente: el manganeso resultó ser más perjudicial que el cobalto en los materiales de cristal único. De hecho, el cobalto mejoró la resistencia mecánica del cátodo.
Esto representa un cambio radical en la forma de pensar los materiales de baterías: no se trata de una fórmula universal, sino que cada tipo de estructura requiere una composición específica adaptada a su mecánica interna.
Riesgos reales: no sólo menor durabilidad
La aparición de grietas no sólo implica que la batería dure menos. Cuando una fisura se hace suficientemente grande, el electrolito puede infiltrarse en zonas donde provoca reacciones no deseadas. Esto puede generar liberación de oxígeno y en casos extremos, riesgo de fuga térmica o incendio. Aunque estos incidentes son poco frecuentes, afectan la confianza del público en la seguridad de las baterías, algo crucial para su adopción masiva.
Por eso, entender cómo y por qué fallan incluso los diseños más prometedores es clave para garantizar un futuro más seguro en la transición energética.
Lo que viene: nuevos materiales, nuevas reglas
El próximo paso, según el equipo de investigación, es encontrar alternativas más económicas al cobalto que mantengan las propiedades beneficiosas descubiertas. Dado su alto costo y los problemas éticos y ambientales asociados a su extracción, el cobalto sigue siendo un componente polémico. Pero esta vez, el reto no es simplemente eliminarlo, sino sustituirlo con algo que funcione igual de bien dentro de una estructura de cristal único.
Este tipo de avance, según los investigadores, forma parte de un ciclo continuo: se resuelve un problema y se abre la puerta a nuevos desafíos. La clave está en no asumir que los materiales nuevos se comportarán como los anteriores, sino en investigar cada uno desde cero, entendiendo sus particularidades.
La colaboración entre centros como UChicago PME y el laboratorio de Argonne permite este tipo de descubrimientos multidisciplinares, combinando experimentación de laboratorio, simulaciones y análisis a escala atómica. Así, el futuro de las baterías no sólo depende de mejores materiales, sino de un enfoque más preciso y adaptado a las nuevas generaciones tecnológicas.
☞ El artículo completo original de Natalia Polo lo puedes ver aquí