La primera carga de una batería de iones de litio determina su funcionamiento y duración a partir de entonces, en particular, cuántos ciclos de carga y descarga puede soportar antes de deteriorarse. En un estudio publicado en Joule , los investigadores del SLAC-Stanford Battery Center informan que dar a las baterías esta primera carga con corrientes inusualmente altas aumentó su vida útil promedio en un 50%, al tiempo que redujo el tiempo de carga inicial de 10 horas a solo 20 minutos.
Igualmente importante es que los investigadores pudieron utilizar el aprendizaje automático científico para identificar cambios específicos en los electrodos de la batería que explican este aumento en la vida útil y el rendimiento.
El estudio fue realizado por un equipo de SLAC/Stanford dirigido por el profesor Will Chueh en colaboración con investigadores del Toyota Research Institute (TRI), el Massachusetts Institute of Technology y la Universidad de Washington. Este fue el último de una serie de estudios financiados por el TRI en virtud de un acuerdo de investigación cooperativa con el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía.
Los resultados tienen implicaciones prácticas no sólo para la fabricación de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos y la red eléctrica, sino también para otras tecnologías, dijo Steven Torrisi, científico investigador senior del TRI que colaboró en la investigación.
Este estudio nos resulta muy interesante. La fabricación de baterías requiere una gran inversión de capital, energía y tiempo. Lleva mucho tiempo poner en marcha la fabricación de una nueva batería y es realmente difícil optimizar el proceso de fabricación porque intervienen muchos factores.—Steven Torrisi
Para entender lo que ocurre durante el ciclo inicial de la batería, el equipo de Chueh construye celdas tipo bolsa en las que los electrodos positivo y negativo están rodeados por una solución electrolítica donde los iones de litio se mueven libremente. El electrodo positivo de una batería recién fabricada está lleno al 100% de litio, dijo Xiao Cui, el investigador principal del equipo de informática de baterías en el laboratorio de Chueh. Cada vez que la batería pasa por un ciclo de carga y descarga, parte del litio se desactiva. Minimizar esas pérdidas prolonga la vida útil de la batería.
Curiosamente, una forma de minimizar la pérdida general de litio es perder deliberadamente un gran porcentaje del suministro inicial de litio durante la primera carga de la batería, dijo Cui.
Esta pérdida de litio en el primer ciclo no es en vano. El litio perdido pasa a formar parte de la interfase electrolítica sólida (SEI, por sus siglas en inglés) que se forma en la superficie del electrodo negativo durante la primera carga. A cambio, la SEI protege al electrodo negativo de reacciones secundarias que acelerarían la pérdida de litio y degradarían la batería más rápido con el tiempo. Conseguir la SEI adecuada es tan importante que la primera carga se conoce como carga de formación.
La formación es el paso final del proceso de fabricación, por lo que si falla, todo el valor y el esfuerzo invertido en la batería hasta ese momento se desperdician.—Xiao Cui
Los fabricantes suelen cargar las baterías nuevas por primera vez con corrientes bajas, con la teoría de que esto creará la capa SEI más robusta. Pero hay un inconveniente: cargar con corrientes bajas requiere mucho tiempo y es costoso y no necesariamente produce resultados óptimos. Por eso, cuando estudios recientes sugirieron que una carga más rápida con corrientes más altas no degrada el rendimiento de la batería, fue una noticia emocionante.
Pero los investigadores querían investigar más a fondo. La corriente de carga es solo uno de los muchos factores que intervienen en la formación de SEI durante la primera carga. Probar todas las combinaciones posibles de ellos en el laboratorio para ver cuál funcionaba mejor es una tarea abrumadora.
Para reducir el problema a un tamaño manejable, el equipo de investigación utilizó el aprendizaje automático científico para identificar qué factores son los más importantes para lograr buenos resultados. Para su sorpresa, solo dos de ellos (la temperatura y la corriente a la que se carga la batería) sobresalieron del resto.
Los experimentos confirmaron que la carga a altas corrientes tiene un gran impacto, ya que aumenta la vida útil de la batería de prueba promedio en un 50%. También desactivó un porcentaje mucho mayor de litio por adelantado (alrededor del 30%), en comparación con el 9% con los métodos anteriores, pero eso resultó tener un efecto positivo.
Según Cui, extraer más iones de litio por adelantado es como sacar agua de un balde lleno antes de transportarlo. El espacio libre adicional en el balde reduce la cantidad de agua que salpica en el camino. De manera similar, desactivar más iones de litio durante la formación de SEI libera espacio libre en el electrodo positivo y permite que el electrodo realice su ciclo de manera más eficiente, mejorando el rendimiento posterior.
Esta investigación fue financiada por el Instituto de Investigación Toyota a través de su programa de Diseño y Descubrimiento Acelerado de Materiales.
Recursos
- Xiao Cui et al. , Joule, 29 de agosto de 2024 (doi: 10.1016/j.joule.2024.07.024 )
