El reposo aumenta el rendimiento de las baterías de litio metálico
Devolver la vida al litio muerto: un método sencillo prolonga el ciclo de vida de las baterías
La próxima generación de vehículos eléctricos podría funcionar con baterías de litio metálico que recorrerían entre 800 y 800 km con una sola carga, el doble que las baterías convencionales de iones de litio de los vehículos eléctricos actuales.
Pero la tecnología del litio metálico tiene serios inconvenientes: La batería pierde rápidamente su capacidad de almacenar energía tras relativamente pocos ciclos de carga y descarga, algo muy poco práctico para los conductores que esperan que los coches eléctricos recargables funcionen durante años.
Los científicos han estado probando una serie de nuevos materiales y técnicas para mejorar el ciclo de vida de las baterías. Ahora, investigadores de la Universidad de Stanford han descubierto una solución de bajo coste: basta con descargar la batería y dejarla reposar varias horas. Este sencillo método, descrito en un estudio publicado el 7 de febrero en la revista Nature, restablece la capacidad de la batería y mejora su rendimiento general.
"Buscábamos la forma más fácil, barata y rápida de mejorar la vida útil de las baterías de litio metálico", explica Wenbo Zhang, coautor del estudio y estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en Stanford. "Descubrimos que dejando descansar la batería en estado descargado se puede recuperar la capacidad perdida y aumentar la vida útil del ciclo. Estas mejoras pueden conseguirse simplemente reprogramando el software de gestión de la batería, sin costes adicionales ni cambios necesarios en el equipo, los materiales o el flujo de producción."
Los resultados del estudio podrían proporcionar a los fabricantes de vehículos eléctricos ideas prácticas para adaptar la tecnología de litio metal a las condiciones de conducción del mundo real, según el autor principal, Yi Cui, catedrático Fortinet Founders de Ciencia de los Materiales e Ingeniería en la Escuela de Ingeniería, y profesor de Energía e Ingeniería en la Escuela Doerr de Sostenibilidad de Stanford.
"Las baterías de metal de litio han sido objeto de muchas investigaciones", afirma Cui. "Nuestros hallazgos pueden ayudar a orientar futuros estudios que ayuden al avance de las baterías de metal de litio hacia una adaptación comercial generalizada".
Tecnología de litio metal frente a la de iones de litio
Una batería convencional de iones de litio consta de dos electrodos -un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de metal de litio- separados por un electrolito líquido o sólido que transporta iones de litio de un lado a otro.
En una batería de litio metálico, el ánodo de grafito se sustituye por litio metálico electrodepositado, lo que le permite almacenar el doble de energía que una batería de iones de litio en el mismo espacio. El ánodo de metal de litio también pesa menos que el de grafito, lo que es importante para los vehículos eléctricos. Las baterías de litio metal pueden almacenar al menos un tercio más de energía por kilo que las de iones de litio.
"Un coche equipado con una batería de litio metálico tendría el doble de autonomía que un vehículo de iones de litio del mismo tamaño: 600 millas por carga frente a 300 millas, por ejemplo", explica Philaphon Sayavong, coautor principal y estudiante de doctorado en Química. "En los vehículos eléctricos, el objetivo es mantener la batería lo más ligera posible al tiempo que se amplía la autonomía del vehículo".
Duplicar la autonomía podría eliminar la ansiedad de los conductores reacios a comprar un VE. Por desgracia, la carga y descarga continuas hacen que las baterías de metal de litio se degraden rápidamente, lo que las inutiliza para la conducción rutinaria. Cuando la batería se descarga, trozos de metal de litio del tamaño de una micra quedan aislados y atrapados en la interfase electrolítica sólida (SEI), una matriz esponjosa que se forma donde se unen el ánodo y el electrolito.
"La matriz SEI es esencialmente electrolito descompuesto", explica Zhang. "Rodea trozos aislados de metal de litio desprendido del ánodo y les impide participar en cualquier reacción electroquímica. Por eso, consideramos que el litio aislado está muerto".
La carga y descarga repetidas provocan la acumulación de más litio muerto, lo que hace que la batería pierda capacidad rápidamente. "Un VE con una batería de litio-metal de última generación perdería autonomía a un ritmo mucho más rápido que un VE alimentado por una batería de iones de litio", afirma Zhang.
Descarga y reposo
En trabajos anteriores, Sayavong y sus colegas descubrieron que la matriz SEI empieza a disolverse cuando la batería está en reposo. Basándose en ese hallazgo, el equipo de Stanford decidió ver qué pasaba si se dejaba reposar la batería mientras estaba descargada.
"El primer paso consistió en descargar completamente la batería para que no circulara corriente por ella", explica Zhang. "La descarga elimina todo el litio metálico del ánodo, de modo que lo único que queda son trozos inactivos de litio aislado rodeados por la matriz SEI".
El siguiente paso fue dejar la batería en reposo.
"Descubrimos que si la batería permanece descargada sólo una hora, parte de la matriz SEI que rodea al litio muerto se disuelve", explica Sayavong. "Así, cuando se recarga la batería, el litio muerto vuelve a conectarse con el ánodo, porque hay menos masa sólida interponiéndose".
La reconexión con el ánodo devuelve la vida al litio muerto, lo que permite a la batería generar más energía y alargar su ciclo de vida.
"Antes pensábamos que esta pérdida de energía era irreversible", explica Cui. "Pero nuestro estudio demostró que podemos recuperar la capacidad perdida simplemente dejando descansar la batería descargada".
Mediante microscopía de vídeo time-lapse, los investigadores confirmaron visualmente la desintegración del SEI residual y la posterior recuperación del litio muerto durante la fase de reposo.
Aplicaciones prácticas
El conductor medio estadounidense pasa aproximadamente una hora al volante cada día, por lo que la idea de dejar descansar la batería del coche durante varias horas es factible.
Un VE típico puede tener 4.000 baterías dispuestas en módulos controlados por un sistema de gestión de baterías, un cerebro electrónico que supervisa y controla el rendimiento de la batería. En una batería de litio metálico, el sistema de gestión existente puede programarse para descargar por completo un módulo individual de modo que le quede capacidad cero.
Este método no requiere técnicas de fabricación ni materiales nuevos y caros, añade Zhang.
"Se puede aplicar nuestro protocolo tan rápido como se tarda en escribir el código del sistema de gestión de la batería", dijo. "Creemos que en determinados tipos de baterías de litio metálico, el reposo en estado de descarga por sí solo puede aumentar significativamente la vida útil del ciclo del VE".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Wenbo Zhang, Philaphon Sayavong, Xin Xiao, Solomon T. Oyakhire, Sanzeeda Baig Shuchi, Rafael A. Vilá, David T. Boyle, Sang Cheol Kim, Mun Sek Kim, Sarah E. Holmes, Yusheng Ye, Donglin Li, Stacey F. Bent, Yi Cui; "Recovery of isolated lithium through discharged state calendar ageing"; Nature, Volume 626, 2024-2-7
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