Los óxidos de litio, níquel, cobalto y aluminio ( abreviados como Li-NCA, LNCA o NCA) son un grupo de óxidos metálicos mixtos . Algunos de ellos son importantes debido a su aplicación en baterías de iones de litio . Los NCA se utilizan como material activo en el electrodo positivo (que es el cátodo cuando la batería está descargada). Los NCA están compuestos por los cationes de los elementos químicos litio , níquel , cobalto y aluminio . Los compuestos de esta clase tienen una fórmula general LiNi x Co y Al z O 2 con x + y + z = 1. En el caso de los NCA que comprenden baterías actualmente disponibles en el mercado, que también se utilizan en automóviles eléctricos y electrodomésticos , x ≈ 0,8, y el voltaje de esas baterías está entre 3,6 V y 4,0 V, a un voltaje nominal de 3,6 V o 3,7 V. Una versión de los óxidos actualmente en uso en 2019 es LiNi 0,84 Co 0,12 Al 0,04 O 2 .
La capacidad de almacenamiento de carga utilizable de NCA es de aproximadamente 180 a 200 mAh/g. [1] Esto está muy por debajo de los valores teóricos; para LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 esto es 279 mAh/g. [2] Sin embargo, la capacidad de NCA es significativamente mayor que la de materiales alternativos como el óxido de litio y cobalto LiCoO 2 con 148 mAh/g, el fosfato de hierro y litio LiFePO 4 con 165 mAh/g y NMC 333 LiNi 0,33 Mn 0,33 Co 0,33 O 2 con 170 mAh/g. [2] Al igual que LiCoO 2 y NMC, NCA pertenece a los materiales de cátodo con estructura de capas. [1] Debido al alto voltaje, NCA permite baterías con alta densidad de energía. Otra ventaja de NCA es su excelente capacidad de carga rápida. [1] Las desventajas son los altos costos y los recursos limitados de cobalto y níquel. [1]
Los dos materiales, NCA y NMC, tienen estructuras relacionadas, un comportamiento electroquímico bastante similar y muestran un rendimiento similar, en particular densidades de energía relativamente altas y un rendimiento relativamente alto. Cabe destacar que el Ni se cicla durante el funcionamiento de la batería entre estados de oxidación +2 y +3,5, el Co- entre +2 y +3, y el Mn y el Al permanecen electroquímicamente inactivos. [3]
Se estima que la batería NCA del Tesla Model 3 contiene entre 4,5 y 9,5 kg de cobalto y 11,6 kg de litio. [4]
El óxido de níquel y litio LiNiO 2 , que está estrechamente relacionado con el NCA, o el óxido de níquel NiO 2 en sí, aún no se puede utilizar como material de batería porque es mecánicamente inestable, muestra una rápida pérdida de capacidad y tiene problemas de seguridad. [5]
Los NCA LiNi x Co y Al z O 2 con x ≥ 0,8 se denominan ricos en níquel; [6] esos compuestos son las variantes más importantes de la clase de sustancias. Las variantes ricas en níquel también son bajas en cobalto y, por lo tanto, tienen una ventaja de costo, ya que el cobalto es varias veces más caro que el níquel . Además, a medida que aumenta el contenido de níquel, también lo hace el voltaje y la carga mAh/g que se puede almacenar en la batería. Esto se debe a que el Co se cicla en una batería entre los estados de oxidación +3 y +3,5 (es decir, con 0,5 electrones /átomo de cobalto), mientras que el níquel puede ir entre +3 y +4 (es decir, 1 electrón /átomo de níquel). Por lo tanto, aumentar la fracción molar de níquel en el posodo aumenta tanto el número mAh/g como el voltaje de la celda. Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de níquel, también aumenta el riesgo de ruptura térmica y envejecimiento prematuro de la batería. Cuando una batería NCA típica se calienta a 180 °C, se descontrolará térmicamente . [7] Si la batería se sobrecargó previamente, puede producirse una fuga térmica incluso a 65 °C. [7] Los iones de aluminio en NCA aumentan la estabilidad y la seguridad, pero reducen la capacidad porque no participan en la oxidación y la reducción.
Para hacer que el NCA sea más resistente, en particular para baterías que necesitan operar a temperaturas superiores a 50 °C, el material activo del NCA suele estar recubierto. Los recubrimientos demostrados en la investigación pueden comprender fluoruros como el fluoruro de aluminio AlF 3 , óxidos cristalinos (por ejemplo, CoO 2 , TiO 2 , NMC) u óxidos vítreos ( dióxido de silicio SiO 2 ) o fosfatos como FePO 4 . [2]
Los principales productores de NCA y sus cuotas de mercado en 2015 fueron Sumitomo Metal Mining con un 58%, Toda Kogyo (BASF) con un 16%, Nihon Kagaku Sangyo con un 13% y Ecopro con un 5%. [8] Sumitomo suministra a Tesla y Panasonic y fue capaz de producir 850 toneladas de NCA al mes en 2014. [9] En 2016, Sumitomo aumentó su capacidad de producción mensual a 2550 toneladas, [10] y en 2018 a 4550 toneladas. [9] En China, en el condado de Tongren en la provincia de Qinghai , se ha estado construyendo una planta desde 2019, que inicialmente producirá 1500 toneladas de NCA al mes. [11]
A partir de 2018, el fabricante más importante de baterías NCA fue, según se informa, Panasonic , o el socio de cooperación de Panasonic, Tesla , [2] ya que Tesla usa NCA como material activo en las baterías de tracción de sus modelos de automóviles. [12] [13] En Tesla Model 3 [5] y Tesla Model X, se utiliza LiNi 0.84 Co 0.12 Al 0.04 O 2. [14] Con algunas excepciones, los autos eléctricos actuales a partir de 2019 usan NCA o, alternativamente, óxidos de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC). [5] Además del uso en autos eléctricos, el NCA también se usa en baterías para dispositivos electrónicos, principalmente por Panasonic , Sony y Samsung . [8] Algunas aspiradoras inalámbricas también están equipadas con baterías NCA. [15] [ se necesita una mejor fuente ]