El diseño de esta nueva batería es una estrategia potencial para aliviar las preocupaciones de que los coches totalmente eléctricos carecen de un rango de crucero suficiente para llegar a un destino de manera segura, sin detenerse a mitad del viaje. Los investigadores, dirigidos por Chao Yang, detallan su invento en Joule.
Estos científicos de la Universidad de Pennsylvania reconocen la necesidad de diseñar baterías de vehículos eléctricos capaces de cargarse extremadamente rápido para satisfacer las necesidades de los conductores. Su prototipo muestra la posibilidad de agregar más de 320 kilómetros de autonomía a un automóvil eléctrico en diez minutos.
Sin embargo, una velocidad de carga tan rápida requería que una batería absorbiera rápidamente 400 kilovatios de energía, una hazaña que los vehículos actuales no pueden lograr porque se corre el riesgo de un revestimiento de litio (la formación de litio metálico alrededor del ánodo), lo que deterioraría gravemente la vida útil de la batería.
Si bien las baterías de litio convencionales se cargan y descargan a la misma temperatura, los investigadores descubrieron que podían sortear el problema del recubrimiento de litio al cargar la batería a una temperatura elevada de 60 grados Celsius durante unos minutos, y luego descargarla a temperaturas más frías.
Batería de iones de litio con estructura de níquel para coches eléctricos
El profesor Chao Yang Wang explica que «además de la carga rápida, este diseño nos permite limitar el tiempo de exposición de la batería a la temperatura de carga elevada, generando así un ciclo de vida muy largo. La clave es realizar un calentamiento rápido; de lo contrario, la batería se mantendrá a temperaturas elevadas durante demasiado tiempo, causando una degradación severa».
Para acortar el tiempo de calentamiento y calentar toda la batería a una temperatura uniforme, Wang y su equipo realizaron un diseño de batería de iones de litio con una estructura de níquel autocalentable que se precalienta en menos de 30 segundos.
En la prueba de su modelo, cargaron tres celdas de bolsa de grafito diseñadas para vehículos eléctricos híbridos a 40, 49 y 60 grados centígrados, así como un control a 20 grados centígrados, utilizando diversas estrategias de enfriamiento para mantener temperaturas de carga constantes. Para confirmar que no se produjo el recubrimiento de litio, más tarde descargaron completamente las células y las abrieron para su análisis.
Wang y su equipo descubrieron que las baterías precalentadas a 60 grados Celsius podían sostener el proceso de carga extremadamente rápido durante 1.700 ciclos, mientras que la celda de control solo podía mantener el ritmo durante 60 ciclos.
Tecnología escalable
A una temperatura de carga promedio entre 49 y 60 grados centígrados, la investigación no observó ningún revestimiento de litio. Los investigadores también observaron que un aumento de la temperatura de carga redujo en gran medida el enfriamiento necesario para mantener la celda a su temperatura inicial: la celda de control generó 3.05 vatios-hora, mientras que la celda de 60 grados Celsius generó solo 1.7 vatios-hora.
«En el pasado, se creía universalmente que las baterías de iones de litio deberían evitar funcionar a altas temperaturas debido a la preocupación de las reacciones secundarias aceleradas», recuerda Wang. «Este estudio sugiere -añade- que los beneficios de las placas de litio mitigadas a temperatura elevada con un tiempo de exposición limitado superan con creces el impacto negativo asociado con las reacciones secundarias exacerbadas».
Los investigadores señalan que la tecnología es completamente escalable porque todas las células se basan en electrodos disponibles industrialmente; y ya han demostrado su uso en celdas, módulos y paquetes de baterías a gran escala.
La lámina de níquel aumenta el costo de cada celda en un 0,47%, pero debido a que el diseño elimina la necesidad de los calentadores externos utilizados en los modelos actuales, en realidad reduce el costo de producción de cada paquete.
Actualmente, Wang y su equipo trabajan en un nuevo diseño para cargar una batería de coches eléctricos de alta densidad energética en cinco minutos sin dañarla. «Esto requerirá electrolitos altamente estables y materiales activos además de la estructura de autocalentamiento que hemos inventado», matiza Wang.
Estos investigadores recibieron apoyo financiero de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de Estados Unidos.
