El KAIST descubre una vía para conseguir baterías de vehículos eléctricos que se carguen más rápido y duren más tiempo
Un equipo de investigación utiliza un gemelo digital en 3D para revelar los mecanismos de degradación localizados durante la recarga rápida
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¿Pueden los vehículos eléctricos recargarse rápidamente sin sacrificar la vida útil de la batería? Un equipo de investigación del KAIST ha identificado una posible solución mediante el uso de un gemelo digital tridimensional, es decir, un modelo virtual que recrea la microestructura interna de un electrodo de batería real. El equipo descubrió que el rendimiento de la carga rápida y el comportamiento de degradación no solo dependen de las cantidades de materiales y del espacio poroso dentro del electrodo, sino también de cómo se distribuyen.
El KAIST (presidido por Choongsik Bae) anunció el 24 de agosto que un equipo de investigación dirigido por el profesor Kang Taek Lee, del Departamento de Ingeniería Mecánica, en colaboración con la profesora EunAe Cho, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ha construido un gemelo digital en 3D basado en la microestructura y las especificaciones de un ánodo de grafito comercial. Utilizando este modelo, los investigadores analizaron cuantitativamente los mecanismos de degradación localizada que se producen durante la carga rápida.
El ánodo de una batería de iones de litio está compuesto por grafito, que almacena el litio; un aglutinante que mantiene unidas las partículas de grafito; y un espacio poroso relleno de electrolito por el que se desplazan los iones de litio. Cuando se carga una batería, los iones de litio se desplazan hacia las partículas de grafito del ánodo, donde se intercalan y se almacenan. Sin embargo, si la carga se produce demasiado rápido, algunos iones de litio no pueden entrar en el grafito a tiempo y, en su lugar, se acumulan en forma de litio metálico en la superficie, un fenómeno denominado «placado de litio». Es similar a lo que ocurre cuando los coches se amontonan a la entrada de un aparcamiento porque llegan demasiados a la vez y no pueden entrar con la suficiente rapidez. Si esto continúa, puede degradar tanto el rendimiento como la vida útil de la batería.
Durante la carga, también se forma una fina película protectora en la superficie de la grafita denominada capa de interfase de electrolito sólido (SEI). Es necesaria una capa de SEI correctamente formada, pero si se vuelve demasiado gruesa o irregular, puede degradar el rendimiento de la batería. Además, a medida que el litio penetra en las partículas de grafito durante la carga, estas se expanden y ejercen presión sobre el material circundante, lo que genera tensión mecánica en el interior del electrodo.
Estos procesos tienen lugar simultáneamente a escala microscópica, lo que dificulta distinguir experimentalmente sus efectos individuales. Los modelos computacionales existentes también se han basado principalmente en las propiedades medias del electrodo, lo que dificulta captar la compleja estructura interna y el comportamiento dependiente de la ubicación dentro del electrodo.
Para abordar este problema, el equipo de investigación creó un «gemelo digital en 3D» del electrodo de la batería basado en la estructura de un ánodo de grafito comercial real. El equipo reconstruyó las partículas de grafito, el aglutinante que las mantiene unidas y los poros llenos de electrolito por los que se desplazan los iones de litio, todo ello en tres dimensiones.
Utilizando este electrodo virtual, los investigadores variaron el grosor del electrodo, la porosidad y la distribución del aglutinante; a continuación, simularon una carga rápida para analizar cómo se movían los iones de litio. También examinaron dónde se producía la deposición de litio, cómo se formaba la película protectora y qué partes del ánodo sufrían una tensión concentrada.
Los resultados mostraron que, incluso cuando las capacidades de carga totales eran similares, el comportamiento de degradación interna de los ánodos podía diferir significativamente en función de cómo se distribuyeran el aglutinante y el espacio poroso en el interior del electrodo.
En los ánodos de 50 micrómetros (μm), la diferencia en las capacidades de carga debida a la distribución del aglutinante se situaba en torno al 4 %, lo que significa que apenas había diferencias aparentes en el rendimiento de carga. Sin embargo, en el interior del electrodo, los lugares donde se intercalaba el litio y donde se producían reacciones que degradaban el rendimiento diferían claramente.
En concreto, cuando el aglutinante se concentraba cerca del separador, el espacio poroso disponible para el transporte de iones de litio disminuía, lo que dificultaba el desplazamiento de los iones de litio a través del ánodo. Es muy similar a cómo una carretera más estrecha provoca atascos de tráfico. En este caso, la deposición de Li cerca del colector de corriente aumentó en más de un 10 % en comparación con el ánodo con un aglutinante distribuido uniformemente.
Por el contrario, cuando el aglutinante se distribuía de forma relativamente uniforme por todo el electrodo, el transporte de iones de litio se hacía más uniforme y la película protectora también se formaba de manera más homogénea.
Esta diferencia se acentuó a medida que el electrodo se hacía más grueso. En los ánodos de 83 μm de espesor, la diferencia de capacidad de carga entre las dos distribuciones del aglutinante se amplió hasta aproximadamente el 18 %. Esto sugiere que fabricar electrodos más gruesos para almacenar más energía requiere diseñar cuidadosamente no solo la cantidad de material utilizado, sino también la forma exacta en que se distribuye en su interior.
La ubicación del espacio poroso también afectaba a la tensión a la que se veía sometido el electrodo. Cuando había suficiente espacio poroso, la zona circundante podía acomodar a las partículas de grafito a medida que se expandían durante la carga. Cuando el espacio poroso era insuficiente, las partículas de grafito no tenían espacio para expandirse, lo que concentraba la tensión en áreas específicas.
A través de este estudio, el equipo de investigación propuso una nueva línea de diseño para las baterías de iones de litio de carga rápida: en lugar de limitarse a analizar la cantidad de aglutinante y espacio poroso que contiene un electrodo, los investigadores también deberían tener en cuenta dónde y cómo se distribuyen.
El uso de un gemelo digital en 3D permite examinar posibles problemas en el interior de una batería en un espacio virtual antes de construir y probar manualmente múltiples diseños de electrodos. Se espera que este enfoque ayude a identificar la estructura óptima del electrodo, contribuyendo al desarrollo de baterías que puedan cargarse más rápido y, al mismo tiempo, mantengan una vida útil más larga.
«Esta investigación es significativa porque ha utilizado un gemelo digital en 3D para descubrir problemas internos de la batería que resultaban difíciles de detectar basándose únicamente en el rendimiento general de la carga», afirmó el profesor Lee. Añadió que disponer adecuadamente el aglutinante y el espacio poroso en el interior del electrodo podría ayudar a diseñar baterías que almacenen más energía, se carguen más rápido y duren más tiempo.
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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