Química de las celdas de baterías de vehículos eléctricos: electrodos, electrolitos y separadores

LFP, NMC y NCA designan los materiales del electrodo positivo utilizados en muchas baterías de vehículos eléctricos. Su combinación con grafito, silicio u otro electrodo negativo, y la elección de un electrolito compatible, determinan el almacenamiento de energía, el comportamiento durante la carga y la durabilidad de la celda.

Battery Basics explica cómo una celda almacena energía y transporta iones. Aquí nos centramos en los materiales y en cómo se ensamblan dentro de la celda.

Materiales del electrodo positivo

El electrodo positivo, llamado convencionalmente cátodo, influye tanto en la cantidad de carga que puede almacenarse como en el potencial del electrodo. La tensión de la celda es la diferencia entre los potenciales de ambos electrodos.

NMC, NCA y NCMA

NMC significa óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto. NCM es otra denominación de la misma familia de óxidos laminares.

En la notación NMC, números como 111, 622 y 811 especifican la proporción molar aproximada de níquel, manganeso y cobalto. NMC 811 tiene una proporción Ni:Mn:Co de 8:1:1. Los dígitos siguen el orden de los elementos: NMC 532 y NCM 523 describen ambos una proporción Ni:Mn:Co de 5:3:2. Son proporciones de los metales de transición del material catódico, no porcentajes de la celda completa. iScience: NCM523 composition in electrode manufacturing research (2020)

Aumentar el contenido de níquel puede elevar la capacidad del material para almacenar carga y reducir la proporción de cobalto. El reto asociado es mantener la estabilidad a estados de carga altos. El agrietamiento de las partículas y las reacciones con el electrolito pueden acelerar el envejecimiento, por lo que los materiales ricos en níquel exigen controlar cuidadosamente la estructura de las partículas y sus recubrimientos superficiales. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

NCA es óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio. También utiliza una estructura laminar, en la que el aluminio ayuda a mejorar la estabilidad térmica. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021) LG Energy Solution: NCA cathode materials (2023) NCMA añade aluminio a un sistema de óxido de níquel, cobalto y manganeso. Según LG Energy Solution, el aluminio contribuye a la potencia y la seguridad, mientras que usar más níquel y menos cobalto reduce el coste de los materiales. LG Energy Solution: NCMA cathode materials (2023)

LFP

LFP es fosfato de hierro y litio, un material con estructura de olivino que no contiene níquel ni cobalto. Su red de fosfato aporta gran estabilidad térmica y química, lo que resulta atractivo para celdas duraderas con menor dependencia de esos metales.

LFP funciona a menor tensión y almacena menos carga por gramo que los cátodos ricos en níquel de alta capacidad, lo que limita su densidad energética. Su menor densidad de electrodo también reduce la energía que cabe en un volumen determinado. University of Warwick / Energy & Fuels: practical LMFP cathode trade-offs (2025)

LFP tiene otra propiedad distintiva: una meseta de tensión amplia y relativamente plana. Cuando el litio entra y sale, coexisten fases ricas y pobres en litio en gran parte del intervalo de funcionamiento del material. La tensión cambia poco en esa zona, por lo que por sí sola es un indicador poco preciso del estado de carga. Los sistemas de gestión de batería deben combinar las mediciones con un modelo de la celda. npj Computational Materials: LFP/graphite voltage behaviour and modelling (2024)

Battery Management System explica la estimación del estado de carga; Battery Charging aborda los límites de carga del vehículo.

LMFP

LMFP es fosfato de manganeso, hierro y litio. Sustituir parte del hierro del LFP por manganeso introduce una zona de mayor tensión en la curva de descarga, abriendo una vía para obtener más energía de un cátodo de fosfato.

La mejora requiere trabajo adicional de ingeniería. Una baja conductividad electrónica e iónica puede limitar la potencia, mientras que la disolución del manganeso puede acortar la vida útil. El tamaño de las partículas, los recubrimientos de carbono y la proporción entre manganeso y hierro influyen en cuánto de esa ventaja de tensión se conserva en un electrodo práctico.

Un estudio de la Universidad de Warwick de 2025 comparó materiales LMFP comerciales con LFP en celdas de botón de laboratorio con grafito. El material con una proporción manganeso/hierro de 80:20 proporcionó inicialmente un 18% más de energía por masa de material activo del cátodo que LFP a C/20, una tasa de descarga baja. Una peor respuesta a tasas elevadas y una degradación más rápida borraron esa ventaja durante un ensayo posterior de 100 ciclos a C/3. Estas mediciones describen los materiales y las celdas de botón ensayados, no la densidad energética ni la vida útil de una celda para automoción. University of Warwick / Energy & Fuels: practical LMFP cathode trade-offs (2025)

LMO y mezclas de materiales catódicos

LMO es óxido de manganeso y litio, normalmente con estructura cristalina de espinela. Sus vías tridimensionales de difusión del litio favorecen una potencia elevada, pero la disolución del manganeso y la pérdida de capacidad pueden limitar su durabilidad. ChemSusChem: LMO power characteristics and blended cathodes (2020) Nature Communications: manganese dissolution and LMO capacity loss (2019)

Los fabricantes pueden combinar materiales dentro de un mismo electrodo. Las mezclas LMO/NMC son un ejemplo; las LMFP/NMC son otro. Las proporciones cambian el perfil de tensión, la densidad del electrodo y el equilibrio entre potencia y energía. Una mezcla es físicamente distinta de un pack que contiene celdas separadas de diferentes químicas. University of Warwick / Energy & Fuels: practical LMFP cathode trade-offs (2025) ChemSusChem: LMO power characteristics and blended cathodes (2020)

La siguiente comparación se refiere a materiales del electrodo positivo combinados con un electrodo negativo adecuado. Describe tendencias, no especificaciones fijas de las celdas.

La estructura del pack cambia la relación entre la densidad energética de la celda y la del pack. Estos efectos, incluidas la integración cell-to-pack y la integración estructural, se explican en Battery Pack & Configuration.

Materiales del electrodo negativo

El electrodo negativo se denomina convencionalmente ánodo. El grafito almacena litio entre sus capas de carbono, el silicio forma aleaciones de litio y silicio, y los electrodos de litio metálico lo almacenan como metal. Las celdas de iones de sodio utilizan otro sistema de materiales, descrito más adelante.

Grafito

El grafito contiene capas de carbono que pueden alojar litio entre ellas. Este proceso de almacenamiento, llamado intercalación, es reversible y constituye la base de las celdas convencionales de iones de litio con ánodo de grafito.

Los electrodos pueden utilizar grafito natural, sintético o mezclas. El tamaño, la forma y el tratamiento superficial de las partículas influyen en la rapidez con la que el litio entra en el material y en cuánto electrolito reacciona en su superficie.

Durante la carga, el litio metálico puede depositarse sobre el grafito en lugar de entrar en su estructura. Es la deposición de litio, o lithium plating. Una corriente de carga alta y una temperatura baja pueden favorecerla al hacer que la inserción de iones sea demasiado lenta para la corriente impuesta. Argonne / DOE review presentation: Anode Structures that Enhance Fast Charge (2020) Algunos depósitos pueden volver a participar en los ciclos; otros quedan aislados eléctricamente o reaccionan con el electrolito, reduciendo el litio disponible. Si los depósitos atraviesan el separador, pueden provocar un cortocircuito interno. Nature Communications: lithium plating, inactive lithium and short-circuit mechanisms (2022)

Esta limitación del grafito también se aplica a las celdas grafito/LFP. Un electrodo positivo estable no elimina una limitación de carga del electrodo negativo. Battery Thermal Management explica cómo la calefacción y la refrigeración ayudan a controlar estas condiciones.

Electrodos con silicio

El silicio almacena litio formando aleaciones de litio y silicio, y puede almacenar mucha más carga por gramo que el grafito. También cambia considerablemente de tamaño: la litiación completa puede aumentar el volumen del material activo de silicio aproximadamente un 300%. Esa cifra describe el silicio en sí, no la expansión de un electrodo o una celda completos. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

La expansión y la contracción pueden romper las partículas y sus conexiones eléctricas. También pueden dañar la interfase sólida del electrolito, o SEI: la capa protectora de reacción que se forma sobre el electrodo negativo. Reconstruirla consume electrolito y litio que, de otro modo, seguirían disponibles para los ciclos.

Los compuestos de grafito y silicio conservan el grafito como estructura estable y añaden silicio o compuestos basados en él, incluidos sus óxidos. Las partículas diseñadas para este fin y los aglutinantes flexibles ayudan a acomodar el movimiento; los aditivos del electrolito favorecen una interfaz más resistente.

Un gran aumento de la capacidad del material del ánodo produce un aumento menor de la densidad energética de la celda terminada. El electrodo positivo, el electrolito, el separador, los colectores y la envolvente siguen aportando masa, y las capacidades de los dos electrodos deben ser compatibles. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

Titanato de litio

El titanato de litio, o LTO, es una alternativa como material del electrodo negativo. Funciona a un potencial más alto que el grafito, lo que ofrece mayor margen frente a la deposición de litio y permite alta potencia y ciclos frecuentes.

Su estructura cristalina cambia muy poco de volumen cuando el litio entra y sale, ayudándola a soportar ciclos repetidos. LTO también almacena menos carga por gramo que el grafito. Esto, sumado a la menor tensión de celda resultante de su mayor potencial de ánodo, reduce la densidad energética. Lancaster University: LTO structure and capacity, author manuscript

Por ello, LTO encaja en aplicaciones donde la frecuencia de carga y la vida útil importan más que la máxima energía en un espacio reducido. El Departamento de Energía de Estados Unidos asocia LTO con aplicaciones de alta potencia y larga vida en ciclos; las celdas SCiB de Toshiba basadas en LTO son un ejemplo comercial. US Department of Energy: lithium-ion technology assessment (2023) Toshiba: LTO-based SCiB cell characteristics

Litio metálico

Un electrodo de litio metálico sustituye al grafito o al silicio como material activo del electrodo negativo, ofreciendo una vía hacia una mayor densidad energética de la celda. Durante la carga, el litio se deposita sobre el electrodo negativo; durante la descarga, se retira.

Mantener una deposición y una retirada uniformes es difícil. Las reacciones con el electrolito pueden dejar litio aislado eléctricamente, consumir electrolito y dañar el separador. Estos procesos vinculan directamente la oportunidad de aumentar la densidad energética con los retos de durabilidad y seguridad. US Department of Energy: lithium-metal cell failure mechanisms (2023)

Litio metálico describe el electrodo negativo. Estado sólido describe el sistema de electrolito. Pueden utilizarse juntos, pero ninguno de los términos exige el otro.

Sistemas de materiales de iones de sodio

Las celdas de iones de sodio utilizan materiales de electrodo y electrolitos que contienen sodio. El carbono duro es uno de los principales materiales del electrodo negativo porque el grafito convencional almacena poco sodio con los electrolitos de carbonatos habituales en estas celdas. Nature Communications: sodium storage in hard carbon (2024)

Carbono duro

El carbono duro presenta capas de carbono desordenadas, defectos y poros. El almacenamiento de sodio implica varios lugares y procesos, incluidos el almacenamiento entre capas, en defectos y en nanoporos. Sus aportaciones relativas dependen de la estructura del carbono y siguen siendo objeto de investigación.

El precursor y el tratamiento térmico influyen en esa estructura. Aumentar la superficie accesible puede facilitar el transporte, pero también exponer más superficie a reacciones con el electrolito. El sodio consumido al formar la SEI deja de estar disponible para el almacenamiento reversible posterior, reduciendo la eficiencia del primer ciclo: la proporción de la primera carga recuperable durante la descarga. Nature Communications: sodium storage in hard carbon (2024)

La capacidad y la densidad de empaquetamiento del carbono duro también limitan la densidad energética de la celda terminada. Una revisión científica de 2026 identifica ambas como retos aún pendientes para lograr celdas de iones de sodio con más energía. Nature Reviews Materials: sodium-ion anode capacity and density constraints (2026)

Familias de electrodos positivos

Tres grandes familias ofrecen enfoques diferentes. Faraday Institution / Rho Motion: sodium-ion material families, printed pp. 43–44 (2023)

• Los óxidos laminares utilizan combinaciones de metales en estructuras en capas. La combinación de metales y la estructura cristalina influyen en la capacidad y la estabilidad durante los ciclos.
• Los materiales polianiónicos utilizan redes como fosfatos y sulfatos. Sus estructuras tridimensionales pueden favorecer la durabilidad, mientras que la densidad energética y la conductividad dependen del compuesto concreto.
• Los análogos del azul de Prusia tienen estructuras abiertas que alojan iones de sodio. El contenido de agua y las vacantes de la red influyen en su estructura y su comportamiento electroquímico. Chemistry – A European Journal: water, vacancies and sodium content in Prussian blue analogues (2025)

Los diseños de iones de sodio pueden prescindir del litio y, con cátodos adecuados, del níquel y el cobalto. Unas materias primas más baratas no bastan para establecer un menor precio de celda: también cuentan la energía almacenada, el rendimiento de fabricación y la escala de producción. Las afirmaciones actuales sobre productos y su situación comercial se abordan en Latest in Battery Technology.

Cómo influye la construcción de los electrodos en el rendimiento

Un electrodo convencional es un recubrimiento poroso sobre un colector de corriente metálico. Su material activo almacena carga; los aditivos conductores conectan electrónicamente las partículas; y un aglutinante mantiene unido el recubrimiento y lo fija a la lámina. El electrolito llena los poros para que los iones puedan alcanzar el material activo.

Depositar más material activo por unidad de superficie de lámina puede aumentar la densidad energética al repartir la masa de la lámina y del separador entre más energía almacenada. Con una composición y porosidad determinadas, esto supone un electrodo más grueso y un recorrido más largo para los iones. Un electrodo más fino acorta ese recorrido a costa de utilizar más lámina y separador por unidad de energía almacenada.

Los recubrimientos gruesos también son más difíciles de secar uniformemente. Las grietas o una distribución desigual del aglutinante pueden perjudicar su rendimiento, por lo que el recubrimiento debe conservar sus conexiones, permeabilidad e integridad mecánica. LBNL/DOE: high-energy-density electrode construction (2019)

La porosidad describe la fracción del recubrimiento ocupada por huecos. Un mayor espacio poroso puede facilitar el acceso del electrolito, pero reduce la cantidad de material activo que cabe en un volumen dado. Las conexiones entre poros también importan. La tortuosidad describe lo indirectas que son las rutas de transporte: unos recorridos más rectos y mejor conectados pueden mejorar el transporte iónico sin aumentar el volumen de poros. En un estudio de laboratorio con electrodos gruesos sinterizados, los poros alineados conservaron más capacidad de descarga a tasas de ciclado elevadas que una estructura con una fracción de volumen poroso similar pero sin orientación preferente. NIST: pore alignment and transport in thick electrodes (2021)

Estas decisiones explican cómo dos celdas con los mismos materiales activos pueden diseñarse para distintas prioridades: almacenar más energía en un espacio limitado, o aceptar y entregar esa energía más deprisa.

Electrolitos e interfaces protectoras

Un electrolito debe transportar iones y limitar las reacciones no deseadas en ambos electrodos. Una formulación habitual de iones de litio utiliza hexafluorofosfato de litio (LiPF₆) disuelto en una mezcla de disolventes carbonatados, como carbonato de etileno y carbonato de etilo y metilo. Las celdas de iones de sodio utilizan sales de sodio compatibles. US Department of Energy: lithium-ion technology assessment (2023) Journal of Physics: Energy: current-collector corrosion and passivation (2021)

Los aditivos ayudan a controlar las reacciones en las superficies de los electrodos. Por ejemplo, el carbonato de vinileno (VC) y el carbonato de fluoroetileno (FEC) pueden favorecer interfaces protectoras en celdas con silicio. Su eficacia depende de la combinación de electrodos y de las condiciones de funcionamiento; el propio aditivo puede consumirse o generar productos de reacción no deseados. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

SEI, CEI y formación de la celda

Parte del electrolito se descompone durante los primeros ciclos controlados de carga y descarga, conocidos como formación. La SEI resultante sobre el electrodo negativo ayuda a evitar que continúe la reacción entre el electrodo cargado y el electrolito. Debe dejar pasar los iones y restringir la transferencia de electrones al electrolito.

Una capa superficial relacionada sobre el electrodo positivo recibe el nombre de interfase cátodo-electrolito, o CEI. Su estabilidad cobra especial importancia a potenciales elevados del electrodo positivo.

Una interfaz estable limita las reacciones posteriores del electrolito. Una capa que se agrieta, se disuelve o crece repetidamente puede aumentar la resistencia y reducir la capacidad disponible. Por eso, los recubrimientos superficiales, los aditivos del electrolito y el proceso de formación son parte integral del rendimiento de la celda. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021) Las consecuencias a más largo plazo se explican en Battery Degradation.

Electrolitos líquidos, en gel y sólidos

El electrolito líquido impregna un electrodo poroso y alcanza las superficies de sus partículas. Los sistemas de gel retienen líquido dentro de una red de soporte. Los electrolitos sólidos utilizan materiales conductores de iones, como polímeros o compuestos inorgánicos, que necesitan un contacto adecuado con los electrodos.

Las celdas de estado sólido pueden mantener materiales catódicos habituales como NMC. Su electrodo negativo puede utilizar litio metálico u otro material activo, como silicio. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

Sustituir el electrolito líquido por uno sólido cambia las interfaces. Las capas de reacción pueden aumentar la resistencia, y la expansión y contracción del material activo pueden romper el contacto con un electrolito sólido rígido, interrumpiendo el transporte iónico. Mantener un contacto de baja resistencia es, por tanto, una tarea central de ingeniería. DOE / University of Maryland: solid-electrolyte interface engineering (2021) Nature Communications: volume change and contact loss in solid-state cells (2024)

Términos como semisólido y cuasisólido pueden referirse a diseños que conservan líquido o gel. Identificar el electrolito y ambos electrodos ofrece una descripción más clara que la etiqueta «estado sólido» por sí sola.

Separadores y colectores de corriente

Separadores

En una celda de electrolito líquido, un separador poroso mantiene separados los electrodos y permite el paso de los iones a través de poros llenos de electrolito. Entre los materiales habituales están el polietileno y el polipropileno; los recubrimientos cerámicos pueden mejorar la resistencia al calor.

Algunos separadores proporcionan un cierre térmico: sus poros se cierran cuando el polímero se ablanda, restringiendo el transporte iónico y la corriente. La protección tiene límites. Un calentamiento adicional puede destruir la capa separadora, y una perforación u otros daños pueden provocar un cortocircuito antes de que el cierre resulte útil. Oak Ridge National Laboratory: separator materials and shutdown limits, section 3.1 (2023)

El espesor y la estructura porosa del separador también influyen en la resistencia y en el espacio disponible para el material activo. La protección de la celda y las medidas a nivel de pack se explican en Battery Safety.

Colectores de corriente

Las láminas metálicas transportan electrones entre los recubrimientos de los electrodos y los terminales de la celda. Las celdas convencionales de iones de litio con ánodo de grafito suelen utilizar cobre en el lado negativo y aluminio en el positivo.

La elección depende del potencial de funcionamiento del electrodo y de su interacción con el electrolito. El aluminio puede alearse con el litio al bajo potencial de un electrodo de grafito cargado, por lo que se utiliza cobre en ese lado. A los potenciales del electrodo positivo, el cobre puede oxidarse y disolverse. El aluminio queda protegido por una película superficial, incluida una capa rica en fluoruros en electrolitos convencionales de LiPF₆. Journal of Physics: Energy: current-collector corrosion and passivation (2021)

LTO funciona a un potencial superior al del grafito y también puede utilizar aluminio en el lado negativo. US Department of Energy: lithium-ion technology assessment (2023) Las celdas de iones de sodio también pueden utilizar colectores de aluminio en ambos lados porque el sodio no se alea electroquímicamente con el aluminio a temperatura ambiente. Small: lithium/sodium chemistry and current-collector choices (2026)

Reducir el espesor del colector ahorra masa inactiva, pero la lámina debe conservar resistencia suficiente para la fabricación y el uso. La disposición de estas láminas recubiertas, los separadores y los terminales se explica en Cell Formats.