Una forma sorprendente de mejorar el rendimiento de la batería
La primera carga determina la vida útil de las baterías de iones de litio
La primera carga de una batería de iones de litio es más importante de lo que parece. Determina lo bien y lo mucho que funcionará la batería a partir de entonces; en concreto, cuántos ciclos de carga y descarga puede soportar antes de deteriorarse.
Dar a las baterías de iones de litio su primera carga a altas corrientes antes de que salgan de fábrica es 30 veces más rápido y aumenta su vida útil en un 50%.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
En un estudio publicado en Joule, investigadores del Centro de Baterías SLAC-Stanford informan de que dar a las baterías esta primera carga a corrientes inusualmente altas aumentaba su vida media en un 50%, al tiempo que reducía el tiempo de carga inicial de 10 horas a sólo 20 minutos.
Y lo que es igual de importante, los investigadores fueron capaces de utilizar el aprendizaje automático científico para identificar los cambios específicos en los electrodos de la batería que explican este aumento de la vida útil y el rendimiento, una información muy valiosa para los fabricantes de baterías que buscan racionalizar sus procesos y mejorar sus productos.
El estudio ha sido realizado por un equipo SLAC/Stanford dirigido por el profesor Will Chueh en colaboración con investigadores del Toyota Research Institute (TRI), el Massachusetts Institute of Technology y la Universidad de Washington. Forma parte de la investigación sobre sostenibilidad del SLAC y de un esfuerzo más amplio por reimaginar nuestro futuro energético aprovechando las herramientas y conocimientos únicos del laboratorio y las asociaciones con la industria.
"Este es un excelente ejemplo de cómo el SLAC está haciendo ciencia de fabricación para que las tecnologías críticas para la transición energética sean más asequibles", dijo Chueh. "Estamos resolviendo un reto real al que se enfrenta la industria; críticamente, nos asociamos con la industria desde el principio".
Este ha sido el último de una serie de estudios financiados por el TRI en el marco de un acuerdo de investigación cooperativa con el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía.
Los resultados tienen implicaciones prácticas para la fabricación no sólo de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos y la red eléctrica, sino también para otras tecnologías, dijo Steven Torrisi, investigador científico principal del TRI que colaboró en la investigación.
"Este estudio es muy interesante para nosotros", afirma. "La fabricación de baterías requiere mucho capital, energía y tiempo. Se tarda mucho tiempo en poner en marcha la fabricación de una batería nueva, y es realmente difícil optimizar el proceso de fabricación porque intervienen muchos factores."
Torrisi dijo que los resultados de esta investigación "demuestran un enfoque generalizable para comprender y optimizar este paso crucial en la fabricación de baterías. Además, es posible que podamos transferir lo que hemos aprendido a nuevos procesos, instalaciones, equipos y químicas de baterías en el futuro."
Una "capa blanda" clave para el rendimiento de las baterías
Para entender lo que ocurre durante el ciclo inicial de la batería, el equipo de Chueh construye celdas de bolsa en las que los electrodos positivo y negativo están rodeados por una solución electrolítica en la que los iones de litio se mueven libremente.
Cuando una batería se carga, los iones de litio fluyen hacia el electrodo negativo para almacenarse. Cuando la batería se descarga, vuelven a salir y se dirigen al electrodo positivo; esto desencadena un flujo de electrones para alimentar dispositivos, desde coches eléctricos hasta la red eléctrica.
El electrodo positivo de una batería recién acuñada está lleno de litio al 100%, explica Xiao Cui, investigador principal del equipo de informática de baterías del laboratorio de Chueh. Cada vez que la batería pasa por un ciclo de carga y descarga, parte del litio se desactiva. Minimizar esas pérdidas prolonga la vida útil de la batería.
Curiosamente, una forma de minimizar la pérdida total de litio es perder deliberadamente un gran porcentaje del suministro inicial de litio durante la primera carga de la batería, explica Cui. Es como hacer una pequeña inversión que da buenos beneficios más adelante.
Esta pérdida de litio en el primer ciclo no es en vano. El litio perdido pasa a formar parte de una capa blanda llamada interfase electrolítica sólida, o SEI, que se forma en la superficie del electrodo negativo durante la primera carga. A cambio, la SEI protege el electrodo negativo de reacciones secundarias que acelerarían la pérdida de litio y degradarían la batería más rápidamente con el tiempo. Conseguir el SEI justo es tan importante que la primera carga se conoce como carga de formación.
"La formación es el último paso del proceso de fabricación", explica Cui, "así que si falla, todo el valor y el esfuerzo invertidos en la batería hasta ese momento se echan a perder".
Una alta corriente de carga aumenta el rendimiento de la batería
Los fabricantes suelen cargar las baterías nuevas por primera vez con corrientes bajas, con la teoría de que así se creará la capa SEI más robusta. Pero hay un inconveniente: La carga a bajas corrientes lleva mucho tiempo, es costosa y no siempre da resultados óptimos. Por eso, cuando estudios recientes sugirieron que una carga más rápida con corrientes más altas no degrada el rendimiento de la batería, fue una noticia emocionante.
Pero los investigadores querían profundizar más. La corriente de carga es sólo uno de las docenas de factores que intervienen en la formación de SEI durante la primera carga. Probar todas las combinaciones posibles en el laboratorio para ver cuál funcionaba mejor es una tarea abrumadora.
Para reducir el problema a un tamaño manejable, el equipo de investigación utilizó el aprendizaje automático científico para identificar qué factores son los más importantes para lograr buenos resultados. Para su sorpresa, sólo dos de ellos -la temperatura y la corriente a la que se carga la batería- destacaban sobre el resto.
Los experimentos confirmaron que la carga a altas corrientes tiene un gran impacto, ya que aumenta la vida útil de la batería de prueba media en un 50%. También desactivaba un porcentaje mucho más alto de litio al principio -un 30%, frente al 9% de los métodos anteriores-, pero eso resultó tener un efecto positivo.
Eliminar más iones de litio por adelantado es un poco como sacar agua de un cubo lleno antes de cargarlo, explica Cui. El espacio libre adicional en el cubo reduce la cantidad de agua que salpica por el camino. Del mismo modo, desactivar más iones de litio durante la formación de la SEI libera espacio en el electrodo positivo y permite que el electrodo realice el ciclo de forma más eficiente, mejorando el rendimiento posterior.
"La optimización por fuerza bruta mediante ensayo y error es rutinaria en la fabricación: ¿cómo debemos realizar la primera carga y cuál es la combinación ganadora de factores?". afirma Chueh. "En este caso, no sólo queríamos identificar la mejor receta para fabricar una buena batería; queríamos entender cómo y por qué funciona. Esta comprensión es crucial para encontrar el mejor equilibrio entre el rendimiento de la batería y la eficiencia de fabricación."
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.
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