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ENERGÍA. Por qué la carga rápida reduce la capacidad de la batería de un automóvil

 


Cuando los iones de litio se fuerzan rápidamente a través de una batería, es posible que se atasquen y se conviertan en metal de litio, que ya no pueden moverse a través de la batería.

Imagínese poder repostar su automóvil eléctrico mientras se detiene para tomar un refrigerio rápido o recargar su teléfono mientras se cepilla los dientes.

"La carga rápida es una especie de Santo Grial. Es lo que todos los que poseen un dispositivo basado en una  quieren poder hacer", dice el ingeniero senior David Wragg del Centro de Ciencia de Materiales y Nanotecnología de la Universidad de Oslo.

Sin embargo, dentro de la  hay una gran cantidad de componentes químicos complicados que pueden ser sensibles a la rapidez con la que se carga. Las cosas pueden salir mal. La pérdida de capacidad es la más crítica.

Es posible fabricar baterías con una capacidad muy alta que podrían permitirle conducir su automóvil eléctrico 1000 km, pero después de haberlo cargado y descargado unas cuantas veces, perdería aproximadamente la mitad de esa capacidad y alcance.

Todas  deterioran con el tiempo, pero este  es más fuerte cuando la batería se Los investigadores han podido comprobar que los iones de , que son tan importantes para la capacidad de una batería, se convierten en  puro y ya no son útiles. Y lo más importante: este efecto se mejora enormemente con la carga rápida.

La batería es como una mecedora

En un lado de la batería está el ánodo y en el otro lado está el cátodo. Ambos electrodos pueden almacenar electrones e iones. Entre ellos hay un separador y un electrolito líquido que ayuda a los iones de un lado a otro. Los iones y electrones se mueven de un lado de la batería al otro cuando usa la corriente almacenada allí y viceversa cuando la recarga.

A esto lo llaman el mecanismo de la mecedora, en el que se mueven los hierros y los electrones de un lado al otro. Cuando son frescas y funcionan perfectamente, las baterías pueden almacenar una cierta cantidad de iones, y esa es la capacidad total del sistema.

Cuando los iones, que solían moverse hacia adelante y hacia atrás, se convierten en metal, ya no pueden moverse a través de la batería. Los iones se cargan y se pueden atraer hacia adelante y hacia atrás. Los átomos de metal son neutros y no se pueden tentar en ninguna dirección.

Una vez que el litio se convierte en metal, ya no es realmente accesible para la reacción electroquímica. Esta capacidad se pierde por completo. Esto sucede en todas las  recargables  litio cuando las ha cargado muchas veces. 

Pero, ¿por qué empeora cuando cargas rápido?

Cuellos de botella durante la carga rápida

Durante la carga rápida, la misma cantidad de iones se mueve a través del sistema, pero mucho más rápido. Todos los iones deben encontrar su lugar en el ánodo en un tiempo mucho más corto. Cuando carga al doble de velocidad, tiene que mover la misma cantidad de iones y electrones en la mitad del tiempo.

Si carga cuatro o seis veces más rápido, naturalmente será aún más difícil. Es difícil porque existen ciertos límites en la química que se produce cuando se intenta poner iones de litio en un material de electrodo sólido muy rápido.

Los ánodos, que reciben iones durante la carga, están hechos de grafito, que está formado por finas capas de carbono. El ánodo consta de varios millones de capas de este tipo. El grafito vacío es como una baraja de cartas y los iones de litio son como pequeñas bolas que se introducen en los espacios entre las cartas. El problema es que se pueden producir cuellos de botella al intentar empujar los iones de litio entre las capas del grafito.

Sigues introduciendo iones, pero a menos que los iones que ya están entre las capas puedan penetrar más profundamente en la pila, no hay espacio para que entren nuevos iones. Cuando cargas la batería muy rápido, el litio no se esparce por todo electrodo de grafito en absoluto. Simplemente se pega cerca del electrolito, donde el ánodo y el cátodo están separados.

Es especialmente aquí, en estos cuellos de botella, donde los iones cargados se convierten en átomos neutros y se acumulan en pequeños trozos de metal. Los iones no se mueven más, al mismo tiempo que se aplica energía. Este exceso de energía puede ser lo que convierte un ion en un átomo neutro y estable.

A este efecto se le llama recubrimiento de litio. Eso es cuando los iones de litio, en lugar de permanecer en la forma iónica, se convierten en metal de litio. Esto se conoce desde hace bastante tiempo, pero en realidad no se ha observado antes en una batería en funcionamiento.

Usando rayos X, los investigadores escanearon las baterías cada 25 milisegundos, una y otra vez, mientras se cargaban rápidamente a diferentes velocidades. Esto les proporcionó una gran cantidad de datos sobre lo que está sucediendo hasta el nivel atómico.

De hecho, pudieron ver el recubrimiento de litio acumulándose. Durante la carga rápida, pudieron ver que la cantidad de litio aumentaba muy rápido. Su teoría es que tiene algo que ver con este cuello de botella de iones de litio. Se observan muchos iones de litio cerca de el separador y aquí también es donde se ve el revestimiento de litio.

Lo más probable es que se acumulen estos iones de litio y que ya no puedan llegar al grafito. Se atascan allí y hay mucho calor, mucha energía que se les inyecta, por lo que se reducen al litio metálico. Las capas de grafito más cercanas al otro electrodo eran muy ricas en litio, mientras que más adentro casi no había litio en absoluto. Empeoró cuanto más rápido cargaban.

El futuro: ¿nanotubos y grafeno?

El estudio no es de ninguna manera el fin de la carga rápida. Simplemente significa que los investigadores deben encontrar nuevas y mejores soluciones. La clave de esto es que las personas que fabrican baterías intenten encontrar formas de mejorar el transporte de litio para que cuando se esté cargando rápido, haya más posibilidades de que el litio llegue a todo el ánodo de grafito.

Investigadores de todo el mundo están buscando nuevos materiales y métodos que puedan hacer que las baterías resistan mejor la carga rápida. Hay mucha gente que usa nanotubos de carbono. El nanotubo de carbono es lo que se obtiene si se toma una de las tarjetas y se enrolla en un tubo. Es como un grafito que se ha formado en tubos en lugar de una superficie plana.

Wragg y sus colegas de la Universidad de Oslo están trabajando con grafeno, hojas individuales de  , en el ánodo.

El grafito se conoce desde hace cientos de años. El grafeno y los nanotubos de carbono se conocen desde hace unos 30 años, por lo que lleva tiempo. Hasta ahora, ninguna de estas innovaciones ha aparecido en baterías comerciales.

Más información: Donal P. Finegan et al, Spatial dynamics of lithiation and lithium plating during high-rate operation of graphite electrodes, Energy & Environmental Science (2020). DOI: 10.1039/d0ee01191f

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