Un equipo de investigadores de la Universidad Riverside (UCR) de California ha desarrollado un método para la recarga rápida de baja temperatura, que evita la merma de capacidad de almacenamiento que este sistema provoca en las baterías de los coches eléctricos. El software que gestiona la recarga analiza la resistencia interna de la batería deteniéndola cuando la alta temperatura la eleva por encima de valores excesivos causantes de la degradación.

La recarga rápida, que es aquella que se realiza en corriente continua a potencias superiores a los 50 kW, somete a las baterías de los coches eléctricos a altas temperaturas causantes de la degradación de su capacidad de almacenamiento. El empleo inadecuado de la carga rápida puede dañar la batería y generar riesgos de seguridad ya que en el interior de las celdas provoca pequeñas grietas y fugas.

Un estudio de la universidad de Riverside, publicado en la revista Energy Storage, afirma que para hacer que los vehículos eléctricos sean más competitivos que los vehículos con motor de combustión, es necesario el desarrollo de una tecnología de carga rápida que no degrade la batería.

Diferencia en la capacidad de carga en los dos métodos del estudio. Foto Sebastian y col.

El grupo de investigación liderado por Mihri Ozkan, profesor de ingeniería eléctrica e informática, Cengiz Ozkan, profesor de ingeniería mecánica, ha utilizado el mismo método de carga rápida que se emplea habitualmente en la industria para recargar un conjunto de celdas de batería de iones de litio cilíndricas Panasonic NCR 18650B, idénticas a las que se encuentran en los coches eléctricos de Tesla.

Paralelamente cargaron otro conjunto de celdas empleando un nuevo algoritmo de carga rápida basado en la resistencia interna de la batería, que interfiere con el flujo de los electrones. La resistencia interna de una batería fluctúa según la temperatura, el estado de carga, su antigüedad y otros factores. La alta resistencia interna puede causar problemas durante la carga. El método de carga verifica la resistencia interna de la batería durante la carga, deteniéndola cuando esta se eleva, eliminando la pérdida de capacidad de carga.

Durante los primeros 13 ciclos de carga, las capacidades de almacenamiento de la batería se mantuvieron similares para ambas técnicas de carga. Sin embargo, a partir de ese punto, en la batería recargada con el sistema actual de la industria el desvanecimiento de la capacidad fue mucho más rápido. Tras 40 ciclos de carga, conservaban tan solo el 60% de su capacidad de almacenamiento. Sin embargo, las baterías cargadas utilizando el método de carga basado en la resistencia interna retuvieron más del 80% de su capacidad después del mismo número de ciclos.

Se puede considerar que con una capacidad del 80% la mayoría de las baterías de iones de litio han llegado al final de su vida útil para su uso en un vehículo eléctrico. El método de recarga de la industria actual llegó a este nivel de degradación tras 25 ciclos de carga, mientras que con el nuevo método es posible llegar hasta 36 ciclos.

Celda de bateria Panasonic NCR 18650B antes y después de 60 ciclos de carga rápida por el método estándar. Foto Laboratorio Ozkan UCR.

Después de 60 ciclos de carga, las cajas de las baterías del método industrial actual comenzaron a agrietarse, quedando expuestos tanto los electrodos como el electrolito lo que aumenta el riesgo de incendio y explosión. En conclusión, las altas temperaturas (60 ºC) aceleraron la degradación y redujeron la seguridad de la batería. Sin embargo, la carga con el nuevo método exige temperaturas mucho más bajas eliminando la aceleración de la degradación y los riesgos de seguridad.

Para investigar a fondo el impacto de la carga rápida y de los mecanismos de degradación de los electrodos, el análisis electroquímico y las técnicas de caracterización de materiales, el equipo empleó técnicas de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), técnicas de valoración intermitente galvanostática (SEM), microscopía electrónica de barrido (XRD) y difracción de rayos X. Los investigadores han solicitado una patente sobre el algoritmo adaptativo de carga rápida de resistencia para ofrecer la licencia a los fabricantes de baterías y coches eléctricos. Mientras este sistema se implementa en los cargadores, el equipo de recomienda minimizar el uso de las recargas rápidas, evitar que las baterías se agoten por completo y evitar recargar por completo la batería en cada proceso.