Por qué las baterías no se cargan en minutos
Los investigadores descubren un nuevo problema que complica la carga rápida
Los investigadores descubren un nuevo problema que complica la carga rápida. La prisa hace el gasto, como dice el refrán. Esta máxima puede ser especialmente cierta en el caso de las baterías, gracias a un nuevo estudio que trata de identificar las razones que provocan la degradación del rendimiento de las baterías de iones de litio de carga rápida en los vehículos eléctricos.
Esta ilustración muestra la intercalación de iones de litio (verde) en un ánodo de grafito.
Image by Argonne National Laboratory
En una nueva investigación del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), los científicos han descubierto un interesante comportamiento químico de uno de los dos terminales de la batería cuando ésta se carga y se descarga.
Las baterías de iones de litio contienen un cátodo con carga positiva y un ánodo con carga negativa, que están separados por un material llamado electrolito que mueve los iones de litio entre ellos. El ánodo de estas baterías suele estar hecho de grafito, el mismo material que se encuentra en muchos lápices. En las baterías de iones de litio, sin embargo, el grafito está formado por pequeñas partículas. Dentro de estas partículas, los iones de litio pueden insertarse en un proceso llamado intercalación. Cuando la intercalación se produce correctamente, la batería puede cargarse y descargarse con éxito.
Sin embargo, cuando una batería se carga demasiado rápido, la intercalación se convierte en un asunto más complicado. En lugar de introducirse sin problemas en el grafito, los iones de litio tienden a acumularse en la superficie del ánodo, lo que provoca un efecto de "chapado" que puede causar daños terminales -sin ánimo de broma- en una batería.
"El revestimiento es una de las principales causas del deterioro del rendimiento de la batería durante la carga rápida", afirma el científico de baterías de Argonne Daniel Abraham, autor del estudio. "Al cargar la batería rápidamente, descubrimos que, además del chapado en la superficie del ánodo, había una acumulación de productos de reacción dentro de los poros del electrodo". Como resultado, el propio ánodo sufre cierto grado de expansión irreversible, lo que perjudica el rendimiento de la batería.
Mediante una técnica llamada nanodifracción de electrones de barrido, Abraham y sus colegas de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign observaron otro cambio notable en las partículas de grafito. A nivel atómico, la red de átomos de grafito en los bordes de las partículas se distorsiona debido a la repetida carga rápida, lo que dificulta el proceso de intercalación. "Básicamente, lo que vemos es que la red atómica del grafito se deforma, y esto impide que los iones de litio encuentren su 'hogar' en el interior de las partículas; en lugar de ello, se chapan en las partículas", dijo.
"Cuanto más rápido carguemos la batería, más desordenado estará el ánodo desde el punto de vista atómico, lo que acabará impidiendo que los iones de litio puedan moverse de un lado a otro", explica Abraham. "La clave es encontrar la forma de evitar esta pérdida de organización o de modificar de algún modo las partículas de grafito para que los iones de litio puedan intercalarse con mayor eficacia".
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