"Avance significativo:" La solución de revestimiento podría conducir a un mayor alcance y mayor duración

Una nueva investigación sobre las razones por las que se produce el revestimiento de iones de litio en las baterías podría abrir la puerta a una carga más rápida de los vehículos eléctricos, un mayor alcance y una vida útil más larga para las baterías.

El revestimiento de iones de litio se ha convertido en un problema para las baterías de vehículos eléctricos porque puede afectar el rendimiento, ralentizar la aceleración, afectar las velocidades de carga rápidas y, en algunos casos, plantear un mayor riesgo de incendio y de seguridad.

Un nuevo estudio, publicado en Nature, sugiere que una solución que consiste en modificar la microestructura de un ánodo de grafito y cambiar la forma en que se carga una batería podría reducir la cantidad de revestimiento de iones de litio que se produce con el tiempo.

"Con la ayuda de un modelo de batería 3D pionero, podemos capturar cuándo y dónde se inicia el recubrimiento de litio y qué tan rápido crece", dice el líder del estudio, el Dr. Xuekun Lu, de la Universidad Queen Mary de Londres.

"Este es un avance significativo que podría tener un impacto importante en el futuro de los vehículos eléctricos".

El revestimiento de litio se produce cuando los iones de litio se acumulan en algunas partes de la superficie del ánodo.

Generalmente se debe a la carga a bajas temperaturas o al uso de corrientes elevadas (un requisito de la infraestructura de carga rápida) cuando la superficie del ánodo se satura temporalmente con iones de litio. En lugar de "intercalarse" o entrar en la estructura del ánodo, los iones se acumulan en el exterior como una capa metálica.

Con el tiempo, es posible que se eliminen pequeñas acumulaciones en descargas posteriores, pero otras veces la nueva capa se reforzará a sí misma.

Una vez que esto comienza, consume litio que podría usarse en la batería, reduce la porosidad del ánodo para que entren otros iones de litio y reduce el área del ánodo que puede reaccionar.

Lo que eso significa ahora es un rendimiento reducido de la batería, hasta el punto de que puede ralentizar la capacidad de aceleración de un vehículo eléctrico (EV) y una vida útil más corta de la unidad. En algunos casos, puede provocar cortocircuitos e incendios.

La investigación sobre cómo solucionar este problema, utilizando modelos de campo de fase resueltos microestructuralmente en 3D de alta fidelidad, fue realizada por una colaboración de investigadores del Reino Unido y EE. UU. provenientes de una serie de instituciones históricas: piense en el MIT, la Institución Faraday, Oxford y Beijing. Instituto Tecnológico, entre otros.

Lo que encontraron es que las partículas que forman el ánodo no son uniformes y por lo tanto hacen más o menos probable que los iones de litio se intercalen fácilmente, o no.

Manipular las partículas del ánodo para que sean más uniformes en lugar de estar distribuidas aleatoriamente permitiría una reacción más homogénea entre los iones de litio y el ánodo y evitaría la acumulación de una capa de litio en algunas áreas pero no en otras, dice Lu.

Sin embargo, esto también es bastante desafiante.

Otra solución, más sencilla, sería cambiar la velocidad de funcionamiento de los cargadores.

El estudio encontró que el voltaje de corriente constante no es adecuado para la carga rápida debido a la alta corriente que debe usarse.

Investigadores de otros lugares ya han analizado una variedad de opciones diferentes, como corriente pulsada, corriente variada, corriente constante de múltiples etapas o un perfil híbrido que combina diferentes modos.

Los autores del estudio dicen que para una carga completa muy rápida en 20 minutos, debería haber un período de descanso de 3 minutos al 45 por ciento del estado de carga (SOC) para un electrodo con una capacidad real de hasta 2 mAh cm-2 (capacidad de descarga por área unitaria).

Para un electrodo de 3 mAh cm-2, el tiempo de relajación óptimo es del 45 por ciento de SOC para una carga de 20 minutos, del 30 por ciento de SOC para una carga que tarda 30 minutos más lentos y del 20 por ciento de SOC para una carga que tarda 60 minutos. minutos.

Al darle tiempo a la batería para "relajarse", le da tiempo al ánodo para absorber los iones de litio, ayuda con la recuperación eliminando cualquier litio recubierto que sea reversible y reduce la pérdida de capacidad en el momento al detener la formación de so- llamado “litio muerto”.

Rachel Williamson es periodista científica y empresarial, especializada en cuestiones medioambientales y de salud relacionadas con el cambio climático.