¿Hay algún avance en la capacidad y vida útil de las baterías de los vehículos eléctricos? Científicos de Cambridge descubren un nuevo secreto detrás de las bajas calificaciones
En el pasado se creía que el mecanismo de almacenamiento de iones de litio en los materiales de las baterías era consistente para cada partícula activa. Sin embargo, una investigación dirigida por la Universidad de Cambridge encontró que el litio se almacena de manera desigual durante los ciclos de carga y descarga.
A medida que el ciclo de descarga de la batería se acerca al final, la superficie de litio de las partículas activas se satura, mientras que el núcleo presenta deficiencia de litio. Esto da como resultado una capacidad reducida y una pérdida de litio reutilizable. Esta investigación podría ayudar a avanzar en los materiales para baterías existentes y acelerar la invención de baterías de próxima generación. Los resultados de la investigación fueron publicados recientemente en la revista Joule.
Para la transición hacia una economía sin emisiones de carbono, el desarrollo de vehículos eléctricos es muy importante. Las baterías de iones de litio alimentan la mayoría de los vehículos eléctricos que circulan hoy en día debido a su enorme densidad de energía. Sin embargo, a medida que los vehículos eléctricos se utilizan cada vez más, es necesario mejorar los materiales de las baterías existentes y descubrir otros nuevos para lograr una mayor autonomía y tiempos de carga más rápidos.
El más prometedor de estos materiales es un material catódico de última generación llamado óxido de litio en capas rico en níquel, que se utiliza ampliamente en vehículos eléctricos avanzados. Sin embargo, su mecanismo de funcionamiento, especialmente el transporte de iones de litio en condiciones reales de funcionamiento, y la relación entre éste y el rendimiento electroquímico no se conocen del todo, por lo que no podemos obtener el máximo rendimiento de estos materiales.
En el último estudio, al rastrear la interacción de la luz y las partículas activas bajo un microscopio durante el funcionamiento de la batería, investigadores de la Universidad de Cambridge observaron que el óxido de manganeso y cobalto (NMC), rico en níquel, cambia en carga y descarga. Existen diferencias significativas en la cantidad de litio almacenado durante el ciclismo.
“Esta es la primera vez que se han observado directamente faltas de homogeneidad en el almacenamiento de litio en una sola partícula”, dijo la primera autora Alice Merryweather, del Departamento de Química Youssef Hamid de la Universidad de Cambridge. "Las técnicas en tiempo real como la nuestra son importantes para capturar esta situación durante el ciclo de la batería".
Combinando observaciones experimentales y modelos informáticos, los investigadores descubrieron que esta falta de homogeneidad se debe a los cambios drásticos en los procesos de carga y descarga del NMC. Tasa de difusión de iones de litio durante el ciclismo. Específicamente, los iones de litio se difunden lentamente en partículas de NMC completamente litiadas, pero una vez que se extraen algunos iones de litio de estas partículas, la difusión aumenta significativamente.
Más importante aún, la falta de homogeneidad del litio que se observa al final de la descarga es una de las razones por las que los materiales catódicos ricos en níquel suelen perder alrededor del 10 % de su capacidad después del primer ciclo de carga-descarga. Los investigadores dijeron: "Esto es importante porque el estándar de la industria para determinar si una batería debe retirarse es que ha perdido aproximadamente el 20 % de su capacidad".
Con esta última investigación, se espera que los científicos buscar nuevos enfoques para mejorar la densidad de energía práctica y la vida útil de estos prometedores materiales para baterías.