Material de batería a base de hierro logra un estado energético superior

Un grupo de investigadores de Stanford University logró crear un material de almacenamiento más denso en energía para baterías a base de hierro. Este avance podría mejorar no solo el almacenamiento de energía, sino también aplicaciones en tecnología de resonancia magnética (MRI) y levitación magnética.

En su tesis doctoral de 2018, el exalumno de Stanford, William Gent, propuso un avance para un material a base de hierro que, de lograrse, podría generar un estado energético más alto. Sin embargo, Gent solo pudo realizar un primer intento antes de que finalizara su tiempo como doctorando.

En 2025, tres estudiantes de doctorado de Stanford, Hari Ramachandran, Edward Mu y Eder Lomeli, lideraron un equipo interdisciplinario que continuó el trabajo de Gent, logrando un descubrimiento fundamental que creó un estado de energía potencial más alto de lo que se pensaba posible para un material a base de hierro. El equipo estaba compuesto por 23 científicos de tres universidades de EE. UU., cuatro laboratorios nacionales y universidades de Japón y Corea del Sur. Los resultados de este trabajo fueron publicados en la revista Nature Materials a principios de este mes.

La aplicación inmediata de los hallazgos del equipo se centra en las baterías de iones de litio, aunque también se contemplan otros usos en aplicaciones magnéticas, como en máquinas de MRI y tecnologías de levitación magnética para trenes de alta velocidad. Además, estos hallazgos podrían contribuir al desarrollo de superconductores.

El hierro participa comúnmente en reacciones donde libera y reabsorbe electrones, conocidas como reacciones redox. Desde el transporte de oxígeno en el cuerpo humano hasta el crecimiento de plantas y la oxidación del hierro, estas reacciones son fundamentales en nuestra vida diaria. Sin embargo, los átomos de hierro suelen limitar su contribución a estas reacciones a dos o tres de sus 26 electrones. Gent creía que podría hacer que el material liberara cinco electrones por átomo de hierro y los recuperara durante la carga. Los investigadores consideran que evitar que los átomos de hierro se acerquen entre sí en la estructura cristalina del material es clave para lograrlo. De lo contrario, las reacciones secundarias, como la unión de átomos de oxígeno, impiden que el hierro alcance un estado de oxidación más alto. Si se utiliza en un cátodo de batería de iones de litio, esto podría permitir que la batería almacene más energía y proporcione un voltaje más alto.

Cuando Ramachandran y Mu retomaron el trabajo de Gent en 2021, inicialmente no pudieron evitar que la estructura cristalina del material de la batería colapsara durante la carga. Sin embargo, se dieron cuenta de que hacer las partículas de su material extremadamente pequeñas podría ayudar. Esto resultó ser un desafío, ya que hacer las partículas de solo 300 a 400 nanómetros de diámetro, aproximadamente 40 veces más pequeñas que antes, no fue fácil.

En 2022, Ramachandran y Mu encontraron una solución. "Literalmente, una solución. Hicimos crecer nuestros cristales a partir de un líquido cuidadosamente preparado", comentó Mu. "En nuestras pruebas electroquímicas, el material parecía permitir que el hierro liberara y luego recuperara cinco electrones mientras la estructura cristalina permanecía estable".

Para confirmar esto, se unieron a Lomeli en 2023. El asesor de Lomeli, Tom Devereaux, es un pionero en el modelado e interpretación de espectros de rayos X utilizando métodos numéricos en física de la materia condensada. Basándose en su modelado detallado de los espectros, Lomeli pudo demostrar que los dos electrones adicionales no provienen de los átomos de hierro, sino del oxígeno con la ayuda del hierro.

"Es demasiado simple decir que el hierro es el héroe o que el oxígeno es el héroe cuando se trata de contribuir con electrones libres", afirmó Lomeli. "Los átomos en este material tan bien organizado se comportan como una sola entidad".

En los últimos años, el hierro ha reemplazado al cobalto y al níquel como el metal dominante en los cátodos de iones de litio a nivel mundial, tanto para vehículos eléctricos como para sistemas de almacenamiento estacionario. El hierro es mucho menos costoso que el cobalto y el níquel. Además, el 70% del suministro global de cobalto proviene de la República Democrática del Congo, y China controla gran parte de la producción del Congo. Se ha informado que estas minas emplean a niños en condiciones laborales peligrosas, y la minería ha contribuido a la deforestación y a la contaminación de ríos y suelos.

Como resultado de estos problemas, el 40% de las baterías de iones de litio fabricadas hoy utilizan cátodos hechos de litio, hierro y fósforo. Este cátodo "está creciendo rápidamente como la química de cátodo de batería más popular para vehículos eléctricos y aplicaciones de almacenamiento estacionario a gran escala", indicó Ramachandran. Sin embargo, estos cátodos no son de alto voltaje, y las baterías fabricadas con ellos tampoco lo son. Los fabricantes de automóviles y otros productores han trabajado en torno al bajo voltaje para lograr el éxito comercial sin níquel ni cobalto.

"Un cátodo de hierro de alto voltaje podría evitar el compromiso entre un voltaje más alto y metales de mayor costo que anteriormente dominaban los materiales de cátodo", afirmó Mu. "Lo mejor de ambos mundos".

Para obtener un cátodo de hierro de alto voltaje, reversible y estable, Ramachandran y Mu sintetizaron cuidadosamente su material a partir de litio, hierro, antimonio y oxígeno, o "LFSO". Las pruebas iniciales en el SLAC-Stanford Battery Center, un esfuerzo conjunto del Stanford Doerr School of Sustainability y el SLAC National Accelerator Laboratory, mostraron que los cátodos de alto voltaje eran estables.