LG Energy Solution y la Universidad Nacional de Seúl han conseguido un avance importante para las baterías LMR ricas en manganeso destinadas a vehículos eléctricos, una química atractiva por su potencial para reducir costes sin renunciar a una elevada densidad energética. El equipo ha logrado suprimir gran parte de la generación de gas que históricamente ha limitado su uso en celdas de gran formato mediante cambios en los voltajes de carga y descarga.
El trabajo, dirigido por el profesor Jongwoo Lim y publicado en Nature Communications, se ha trasladado además desde pequeñas celdas experimentales hasta unidades de 40 Ah capaces de conservar el 92,2% de su energía inicial después de 883 ciclos. La clave no ha sido desarrollar un nuevo material, sino controlar mejor la reversibilidad del oxígeno dentro del cátodo y modificar las condiciones utilizadas durante la formación inicial de la celda.
El problema estaba en el oxígeno que no regresaba a su estado original
Las químicas LMR, de lithium manganese-rich, utilizan una proporción elevada de manganeso para reducir la dependencia de materiales más costosos como el cobalto y disminuir el uso de níquel frente a químicas de alto contenido en este último. Al mismo tiempo, pueden alcanzar una densidad energética considerable aprovechando tanto los metales de transición del cátodo como reacciones relacionadas con el oxígeno.
Precisamente, este segundo mecanismo era una de sus principales debilidades. Durante la carga, parte del oxígeno presente en el material del cátodo se oxida para almacenar energía, pero no todo regresaba correctamente a su estado inicial cuando la batería volvía a descargarse.
Esa falta de reversibilidad puede alterar progresivamente la estructura interna del material y favorecer la generación de gases dentro de la celda, algo especialmente problemático cuando se pasa de pequeñas muestras de laboratorio a las grandes celdas utilizadas en automoción.
En una batería de gran formato existe poco espacio libre para absorber esa acumulación. El aumento de presión puede terminar afectando al rendimiento, estabilidad y vida útil, convirtiendo la generación de gas en una de las barreras principales para comercializar LMR a escala automovilística.
Bajar la carga de 4,6V a 4,3V cambia el comportamiento del oxígeno
LG Energy Solution y la Universidad Nacional de Seúl estudiaron la reacción redox del oxígeno bajo diferentes ventanas de funcionamiento y comprobaron que la recuperación del oxígeno depende tanto del límite superior durante la carga como del voltaje mínimo alcanzado durante la descarga.
Cuando los investigadores redujeron el voltaje máximo de carga desde 4,6V hasta 4,3V, la reducción del oxígeno oxidado aumentó del 86% al 97%. En otras palabras, una proporción considerablemente mayor conseguía regresar al estado químico deseado al completar el ciclo.
El segundo cambio fue igualmente importante. Al reducir el voltaje de corte durante la descarga desde los habituales 3,0V hasta 2,0V, el oxígeno pudo recuperar prácticamente por completo su estado original, mejorando la reversibilidad de la reacción que había provocado buena parte de la degradación.
Esto introduce un matiz importante: la solución no consiste simplemente en cargar la batería a un voltaje menor. El estudio muestra que los dos extremos de la ventana operativa tienen que diseñarse conjuntamente para controlar correctamente la química del oxígeno durante ciclos repetidos.
Modificar esos límites también obliga a estudiar sus posibles implicaciones sobre energía utilizable, eficiencia y funcionamiento dentro de un vehículo comercial. El trabajo demuestra una mejora considerable de estabilidad, pero no significa que cualquier batería LMR pueda adoptar directamente una ventana de 2,0 a 4,3V sin otras optimizaciones.
Las celdas de 40 Ah mantienen el 92,2% tras 883 ciclos
Con los resultados obtenidos, LG Energy Solution rediseñó tanto la ventana de funcionamiento como el proceso de formación inicial para celdas LMR de gran formato y 40 Ah, acercando mucho más el experimento a las dimensiones necesarias para automoción.
La formación es una etapa crítica durante la fabricación de una batería, ya que los primeros ciclos ayudan a estabilizar diferentes interfaces electroquímicas. El equipo aplicó una temperatura inferior durante este proceso para reducir todavía más la generación indeseada de gases en las celdas grandes.
El resultado fue una retención del 92,2% de la energía inicial después de 883 ciclos completos de carga y descarga. La cifra resulta especialmente relevante porque no procede únicamente de una pequeña celda de laboratorio, sino de un formato de 40 Ah mucho más representativo de posibles aplicaciones reales.
Aun así, esto no equivale todavía a demostrar una batería completa lista para producción masiva en un vehículo. Antes deben evaluarse aspectos como comportamiento bajo diferentes temperaturas, carga rápida, ciclos parciales, almacenamiento prolongado, seguridad, costes industriales y consistencia entre miles o millones de celdas.
Lo que sí demuestra el estudio es que uno de los grandes mecanismos de degradación de los cátodos LMR puede mitigarse sin modificar radicalmente su composición, utilizando principalmente control electroquímico y cambios en el proceso de fabricación.
LG y General Motors ya preparan baterías LMR para producción
El avance tiene además una aplicación industrial bastante concreta. LG Energy Solution trabaja con General Motors para llevar celdas prismáticas LMR a futuras camionetas y SUV eléctricos, utilizando una química que busca combinar autonomía elevada con costes inferiores a los paquetes actuales de alto contenido en níquel.
GM estima que sus futuras celdas LMR podrían ofrecer aproximadamente un 33% más de densidad energética que sus mejores alternativas LFP a un coste comparable, aunque se trata de una estimación del fabricante y dependerá de las configuraciones finalmente llevadas a producción.
La hoja de ruta es además más cercana de lo que podría parecer. Ultium Cells, la empresa conjunta de GM y LG Energy Solution, prevé iniciar la producción comercial de celdas prismáticas LMR en Estados Unidos durante 2028, con preproducción prevista en instalaciones de LG desde finales de 2027.
El objetivo de General Motors es utilizarlas especialmente en vehículos grandes, donde una batería LFP puede requerir demasiado volumen y peso para alcanzar autonomías elevadas. La compañía aspira a conseguir más de 400 millas de autonomía, unos 644 km, en futuras camionetas eléctricas equipadas con LMR, reduciendo al mismo tiempo el coste frente a sus actuales paquetes de alto contenido en níquel.
LG Energy Solution lleva trabajando en esta tecnología desde hace años y dispone de más de 200 solicitudes de patente relacionadas con LMR. La investigación publicada ahora añade una pieza especialmente importante al demostrar que el control de los voltajes y del proceso de formación puede atacar directamente el problema de los gases en celdas grandes.
El avance no convierte todavía a las LMR en sustitutas inmediatas de las baterías LFP o de alto contenido en níquel, pero sí elimina una barrera que llevaba años frenando su escalado. Conservar el 92,2% de la energía tras 883 ciclos en una celda de 40 Ah acerca esta química mucho más a las exigencias reales de un coche eléctrico, justo cuando LG y GM ya preparan su industrialización.
Vía: NotebookCheck
