Los investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford pueden haber encontrado una manera de revitalizar las baterías de litio recargables, lo que podría aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos y la duración de la batería en los dispositivos electrónicos de próxima generación.

Reseña Green Car Congress que a medida que las baterías de litio realizan un 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 podían hacer que este litio «muerto» se deslizara como un gusano hacia uno de los electrodos hasta que se reconecte, revirtiendo parcialmente el proceso no deseado.

Cuando una isla de metal de litio inactivado viaja al ánodo de una batería, o electrodo negativo, y se vuelve a conectar, vuelve a la vida, contribuyendo con electrones al flujo de corriente de la batería e iones de litio para almacenar la carga hasta que se necesite. La isla se mueve agregando litio metálico en un extremo (azul) y disolviéndolo en el otro extremo (rojo). Investigadores de SLAC y Stanford descubrieron que podrían impulsar el crecimiento de la isla en la dirección del ánodo agregando un breve paso de descarga de alta corriente justo después de que se carga la batería. La reconexión de la isla al ánodo aumentó la vida útil de su celda de prueba de iones de litio en casi un 30%. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Agregar este paso adicional ralentizó la degradación de su batería de prueba y aumentó su vida útil en casi un 30%. Un estudio sobre el trabajo se publica en Nature .

Ahora estamos explorando la recuperación potencial de la capacidad perdida en las baterías de iones de litio mediante un paso de descarga extremadamente rápido.—Becario postdoctoral de Stanford Fang Liu, autor principal

Una gran cantidad de investigación está buscando formas de fabricar baterías recargables con un peso más liviano, una vida útil más larga, una seguridad mejorada y velocidades de carga más rápidas que la tecnología de iones de litio que se usa actualmente en teléfonos celulares, computadoras portátiles y vehículos eléctricos. Un enfoque particular es el desarrollo de baterías de metal de litio, que podrían almacenar más energía por volumen o peso. Por ejemplo, en los automóviles eléctricos, estas baterías de próxima generación podrían aumentar el kilometraje por carga y posiblemente ocupar menos espacio en el maletero.

Ambos tipos de baterías utilizan iones de litio cargados positivamente que van y vienen entre los electrodos. Con el tiempo, parte del litio metálico se vuelve electroquímicamente inactivo, formando islas aisladas de litio que ya no se conectan con los electrodos. Esto da como resultado una pérdida de capacidad y es un problema particular para la tecnología de metal de litio y para la carga rápida de baterías de iones de litio.

Sin embargo, en el nuevo estudio, los investigadores demostraron que podían movilizar y recuperar el litio aislado para prolongar la vida útil de la batería.

Siempre pensé en el litio aislado como malo, ya que hace que las baterías se deterioren e incluso se incendien. Pero hemos descubierto cómo reconectar eléctricamente este litio «muerto» con el electrodo negativo para reactivarlo.—Yi Cui, profesor de Stanford y SLAC e investigador del Instituto de Stanford para la Investigación de Materiales y Energía (SIMES) que dirigió la investigación

La idea del estudio nació cuando Cui especuló que aplicar un voltaje al cátodo y al ánodo de una batería podría hacer que una isla aislada de litio se moviera físicamente entre los electrodos, un proceso que su equipo ha confirmado ahora con sus experimentos.

Los científicos fabricaron una celda óptica con un cátodo de óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC), un ánodo de litio y una isla de litio aislada en el medio. Este dispositivo de prueba les permitió rastrear en tiempo real lo que sucede dentro de una batería cuando está en uso.

Descubrieron que la aislada isla de litio no estaba «muerta» en absoluto, pero respondió a las operaciones de la batería. Al cargar la celda, la isla se movió lentamente hacia el cátodo; al descargar, se arrastró en la dirección opuesta.

Es como un gusano muy lento que mueve su cabeza hacia adelante y jala su cola hacia adentro para moverse nanómetro por nanómetro. En este caso, se transporta disolviéndose en un extremo y depositando material en el otro extremo. Si podemos mantener el gusano de litio en movimiento, eventualmente tocará el ánodo y restablecerá la conexión eléctrica.—Yi Cui

Los resultados, que los científicos validaron con otras baterías de prueba y mediante simulaciones por computadora, 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 bajo corrientes más altas. Así que agregamos un paso de descarga rápido y de alta corriente justo después de que se carga la batería, lo que movió el litio aislado lo suficiente como para reconectarlo con el ánodo. Esto reactiva el litio para que pueda participar en la vida útil de la batería. Nuestros hallazgos también tienen amplias implicaciones para el diseño y desarrollo de baterías de metal de litio más robustas.—Fang Liu

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, la Oficina de Tecnologías de Vehículos en el marco de los programas Battery Materials Research (BMR), Battery 500 Consortium y eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Li-ion (XCEL).