Inspirándose en la neurociencia, la Universidad de Michigan ha encontrado en uno de los problemas más graves de las baterías una ventaja para acelerar el proceso de recarga.
Una de las certezas que se tienen sobre las baterías de litio es que las grietas que se producen en los electrodos acortan su vida útil. Por eso, las investigaciones académicas y las que se llevan a cabo a través de los programas de I+D de los fabricantes intentan minimizar este agrietamiento para aumentar el número de ciclos de carga y descarga que soportan. Ahora, una técnica inspirada en la neurociencia muestra que este efecto tiene un lado positivo.
La investigación llevada a cabo por la Universidad de Michigan demuestra que, en lugar de ser perjudiciales y de intentar evitarlas a toda costa, las grietas en el electrodo positivo (cátodo) de las baterías de iones de litio reducen los tiempos de carga. Esta conclusión va en contra de la opinión de muchos fabricantes de vehículos eléctricos y baterías.
“Muchas empresas están interesadas en fabricar baterías que duren ‘un millón de millas’ utilizando partículas que no se agrietan. Desafortunadamente, si se eliminan las grietas, las partículas de la batería no podrán cargarse tan rápidamente porque pierden el área de superficie adicional de esas grietas”, afirma Yiyang Li, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y autor del estudio publicado en Energy and Environmental Sciences. “En un viaje por carretera, no queremos esperar cinco horas para que se cargue un automóvil. Queremos cargar en 15 o 30 minutos”.
El equipo asegura que este descubrimiento es aplicable a más de la mitad de las baterías de los vehículos eléctricos actuales, en las que el cátodo está compuesto por billones de partículas microscópicas hechas de óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NCM) u óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCMA).
Midiendo la velocidad de carga
En teoría, la velocidad a la que los iones de litio llegan al cátodo se reduce en función de la relación superficie-volumen de las partículas. Las más pequeñas deberían cargarse más rápido que las más grandes porque tienen un superficie específica más alta en relación con su volumen. Es decir, los iones de litio tienen distancias más cortas para difundirse a través de ellas.
Sin embargo, los métodos convencionales no pueden medir directamente las propiedades de carga de las partículas individuales del cátodo, solo su promedio. Esa limitación significa que es simplemente una suposición la relación, ampliamente aceptada, entre la velocidad de carga y el tamaño de las partículas del cátodo.
“Descubrimos que las partículas del cátodo que están agrietadas tienen superficies más activas para absorber iones de litio, no solo en su superficie exterior, sino también dentro de las grietas de las partículas”, afirmó Jinhong Min, estudiante de doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales y ayudante en el laboratorio de Li. “Los científicos de baterías saben que se produce el agrietamiento, pero no han medido cómo afecta dicho agrietamiento a la velocidad de carga”.
Medir la velocidad de carga de las partículas individuales del cátodo fue clave para descubrir la ventaja que supone romper los cátodos. Ellos lo han logrado insertando las partículas en un dispositivo que los neurocientíficos suelen utilizar para estudiar cómo las células cerebrales individuales transmiten señales eléctricas.
El experimento reveló que las velocidades de carga de las partículas del cátodo no dependían de su tamaño. Li y Min creen que la explicación más probable para este comportamiento inesperado es que las partículas más grandes, cuando se rompen, en realidad se comportan como una colección de partículas más pequeñas. Otra posibilidad es que los iones de litio se mueven muy rápidamente en los límites de los granos, los diminutos espacios entre los cristales a nanoescala que componen la partícula del cátodo. Li cree que esto es poco probable a menos que el electrolito de la batería, el medio líquido en el que se mueven los iones de litio, penetre estos límites y forme grietas.
Es importante tener en cuenta los beneficios de los materiales agrietados cuando se diseñan baterías de larga duración con partículas monocristalinas que no se agrietan. Para cargarse rápidamente, es posible que estas partículas deban ser más pequeñas que las partículas de cátodo actuales. “La alternativa es hacer cátodos monocristalinos con diferentes materiales que puedan mover el litio más rápido, pero esos materiales podrían estar limitados por el suministro de metales necesarios o tener densidades de energía más bajas”, explica Li.
Escrito por: Gonzalo García
Fuente: https://www.hibridosyelectricos.com
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