Investigación de la Universidad de Nankai demuestra que la incorporación atómica de tungsteno permite reducir de manera significativa la caída de voltaje en cátodos ricos en litio, uno de los principales obstáculos para su aplicación comercial.
Un avance relevante para la industria del almacenamiento energético fue reportado recientemente por investigadores de la Universidad de Nankai, en China, quienes desarrollaron un nuevo método de dopaje con tungsteno capaz de mitigar el desgaste por voltaje en baterías de iones de litio de alta energía. El hallazgo apunta directamente a uno de los problemas estructurales más persistentes de los cátodos ricos en litio, materiales considerados clave para la próxima generación de baterías destinadas a vehículos eléctricos y sistemas de respaldo en redes eléctricas.
Los llamados óxidos en capas ricos en litio (LRLO, por sus siglas en inglés) ofrecen una mayor densidad energética que los cátodos convencionales, al activar reacciones redox del oxígeno además de las de los metales de transición. Sin embargo, esta ventaja se ve contrarrestada por una severa inestabilidad estructural: migración de metales, pérdida de oxígeno y una progresiva caída del voltaje durante los ciclos de carga y descarga, lo que reduce el rendimiento mucho antes de agotarse la capacidad.
Un enfoque atómico no convencional
La innovación del equipo chino radica en la ubicación del dopante. En lugar de ocupar los sitios octaédricos habituales de la red cristalina, los átomos de tungsteno (W⁶⁺) fueron insertados en posiciones intersticiales tetraédricas, una estrategia poco explorada y considerada difícil de estabilizar. Utilizando como material modelo el compuesto Li₁.₂Mn₀.₆Ni₀.₂O₂, los científicos incorporaron menos de 1% atómico de tungsteno.
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Técnicas avanzadas de microscopía electrónica permitieron observar directamente esta configuración, confirmando experimentalmente que el dopaje en sitios tetraédricos es posible. Según el estudio, cada átomo de tungsteno genera una repulsión electrostática de largo alcance que inhibe la migración de metales de transición tanto dentro como fuera del plano cristalino, estabilizando regiones de hasta dos nanómetros de extensión.
Resultados estructurales y electroquímicos
Las pruebas comparativas mostraron diferencias sustantivas. En los cátodos sin dopar, la estructura ordenada tipo “panal” se degrada tras apenas 20 ciclos. En cambio, las muestras dopadas conservaron esta organización incluso después de 250 ciclos. Ensayos de difracción de rayos X in situ evidenciaron una reducción significativa de la tensión de la red durante la carga, mientras que análisis espectroscópicos confirmaron una menor formación de vacantes de oxígeno.
Desde el punto de vista electroquímico, la concentración óptima se estableció en 0,75% atómico de tungsteno. En esas condiciones, la pérdida de voltaje se limitó a solo 0,150 voltios tras 200 ciclos, sin sacrificar capacidad, un desempeño muy superior al de diseños previos.
Implicancias para el desarrollo tecnológico
Más allá de los resultados inmediatos, el estudio —publicado en la revista eScience— cuestiona supuestos tradicionales sobre el rol de los dopantes en materiales para baterías. La evidencia sugiere que el dopaje eficiente y en posiciones no convencionales podría transformarse en un principio general de diseño para estabilizar cátodos de alta energía, acercando a los materiales ricos en litio a una viabilidad comercial real. La estabilización estructural a escala atómica puede ser determinante para el futuro del almacenamiento energético.
