Los investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford podrían haber encontrado una forma de restablecer la vida de las baterías en los dispositivos electrónicos de nueva generación, lo que da esperanzas de que las baterías del futuro sean más resistentes y duraderas.
Una investigación ha comprobado que es posible reactivar las islas de litio inactivas que quedan en el interior de las baterías de los vehículos eléctricos para reconectar el litio muerto con el electrodo negativo, reactivarlo y aumentar así su vida útil.
De este resultado podrían beneficiarse no solo las baterías de hoy, sino que desbloquearía la posibilidad de obtener diseños de baterías con densidades energéticas mucho mayores y con mayor capacidad de recarga rápida.
Cuando las baterías de litio entran en ciclo, acumulan pequeñas islas de litio inactivo que se separan de los electrodos, lo que disminuye la capacidad de la batería para almacenar carga. Pero el equipo de investigación descubrió que podía hacer que este litio «muerto» se arrastrara como un gusano hacia uno de los electrodos hasta reconectarse, invirtiendo parcialmente el proceso no deseado.
Las islas de litio inactivas se forman durante los ciclos de carga y descarga de las baterías, cuando los iones de litio viajan de un electrodo a otro. Durante este viaje, algunos de ellos fallan y se vuelven electroquímicamente inactivos. Estos se acumulan en forma de grumos o islas de litio que disminuyen la capacidad de almacenamiento de la batería y su vida útil.
Este litio que queda aislado, además de no contribuir ya a la capacidad eléctrica de la batería, es peligroso puesto que puede provocar que ésta se incendie.
Yi Cui, profesor de Stanford y director de la investigación asegura que han descubierto la manera de reconectar eléctricamente el litio muerto con el electrodo negativo para reactivarlo.
«Ahora estamos explorando la posible recuperación de la capacidad perdida en las baterías de iones de litio utilizando un paso de descarga extremadamente rápido», dijo el becario postdoctoral de Stanford Fang Liu, autor principal de un estudio publicado el 22 de diciembre en Nature.
Según las conclusiones de la investigación, este procedimiento aumentó la vida útil de la batería de prueba en un 30 %. Además, aplicando esta técnica, es posible idear diseños de batería mejorados capaces de admitir mayores potencias de recarga, ya que la degradación sería recuperable.
También podría conducir a incrementar la capacidad de las baterías y su vida útil. Todo esto se traduce en que además de incrementarse la autonomía de los vehículos eléctricos también se podría conservar durante un mayor número de ciclos de carga y descarga.
Conexión perdida
Una gran parte de la investigación busca formas de fabricar baterías recargables más ligeras, de mayor duración, más seguras y con velocidades de carga más rápidas que la tecnología de iones de litio utilizada actualmente en teléfonos móviles, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos.
Se está prestando especial atención al desarrollo de baterías de litio-metal, que podrían almacenar más energía por volumen o peso. Por ejemplo, en los vehículos eléctricos, estas baterías de nueva generación podrían aumentar el kilometraje por carga y posiblemente ocupar menos espacio en el maletero.
Ambos tipos de baterías utilizan iones de litio con carga positiva que van y vienen entre los electrodos. Con el tiempo, parte del litio metálico se vuelve electroquímicamente inactivo, formando islas de litio que ya no se conectan con los electrodos. Esto provoca una pérdida de capacidad y es un problema especial para la tecnología de litio-metal y para la carga rápida de las baterías de iones de litio.
En el nuevo estudio, los investigadores lograron demostrar que podían movilizar y recuperar el litio inactivo que se ha aislado y así prolongar la vida de las baterías.
«Siempre pensé que el litio aislado era malo, ya que hace que las baterías decaigan e incluso se incendien», dijo Yi Cui, profesor de Stanford y del SLAC e investigador del Instituto de Investigación de Materiales y Energía de Stanford (SIMES) que dirigió la investigación. «Pero hemos descubierto cómo reconectar eléctricamente este litio ‘muerto’ con el electrodo negativo para reactivarlo».
Arrastrándose, no muerto
La idea del estudio surgió cuando Cui especuló con que la aplicación de un voltaje al cátodo y al ánodo de una batería podría hacer que una isla de litio se moviera físicamente entre los electrodos, un proceso que su equipo ha confirmado ahora con sus experimentos.
Los científicos fabricaron una célula óptica con un cátodo de óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC), un ánodo de litio y una isla de litio aislada entre ambos. Este dispositivo de prueba les permitió seguir en tiempo real lo que ocurre en el interior de una batería cuando está en uso.
Descubrieron que la isla de litio aislada no estaba «muerta» en absoluto, sino que respondía a las operaciones de la batería. Cuando se cargaba la pila, la isla se movía lentamente hacia el cátodo; cuando se descargaba, se deslizaba en dirección contraria.
«Es como un gusano muy lento que adelanta su cabeza y arrastra su cola para moverse nanómetro a nanómetro», dijo Cui. «En este caso, se transporta disolviéndose en un extremo y depositando material en el otro. Si podemos mantener el gusano de litio en movimiento, acabará por tocar el ánodo y restablecer la conexión eléctrica».
Aumentar la vida útil
Los resultados, que los científicos validaron con otras baterías de prueba y mediante simulaciones por computador, también demuestran cómo se podría recuperar el litio aislado en una batería real modificando el protocolo de carga.
«Descubrimos que podemos mover el litio desprendido hacia el ánodo durante la descarga, y estos movimientos son más rápidos con corrientes más altas», dijo Liu. «Así que añadimos un paso de descarga rápido y de alta corriente justo después de la carga de la batería, que movió el litio aislado lo suficiente como para reconectarlo con el ánodo. Esto reactiva el litio para que pueda participar en la vida de la batería».
Los científicos señalan que el problema del litio aislado también afecta a las baterías de metal de litio, una tecnología que permite contener 10 veces más energía, pero que presenta un problema importante de inestabilidad.
La integración de esta nueva funcionalidad podría ayudar a abordar esta deficiencia. “Nuestros hallazgos tienen amplias implicaciones en el diseño y desarrollo de baterías de metal de litio más robustas”, asegura Liu.
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