Como todos sabemos la tecnología de las baterías de iones de litio (Li-ion) no solo les ha dado mayor autonomía a nuestros dispositivos electrónicos, como los Smartphone, sino que también ha permitido darle un gran impulso al desarrollo de los vehículos eléctricos. Estas baterías se han optimizado para que puedan entregar una gran densidad de energía de forma segura por largo periodo de vida útil, sin embargo uno de los aspectos que sigue limitando su uso es la velocidad de carga, especialmente para mejorar la aceptación de los vehículos eléctricos, estos deben estar listos para usarse en un corto periodo de tiempo.
Una carga rápida le daría mayor popularidad a los vehiculos eléctricos. Fuente: imagen editada, original de pixabay.com.
De forma general, una batería de Li-ion se carga en aproximadamente una hora, periodo en el que se carga completamente de forma segura, con una mínima degradación de los componentes de la celda. Esto quizás no es muy atractivo para muchas personas, si lo comparamos con el tiempo que tarda llenar el tanque de combustible en una estación de servicio convencional, por ello se ha intentado desarrollar baterías de iones de litio que se puedan cargar completamente en pocos minutos, pero esto tiene como consecuencia una degradación acelerada de la celda, provocando daños irreversibles por la pérdida de movilidad de los iones de litio.
Antes de profundizar en los aspectos que evitan una carga rápida de las baterías de Li-ion revisemos como funciona este tipo de batería.
¿Cómo funciona una batería Li-ion?
Una batería de Li-ion es un dispositivo compuesto por dos o más celdas de electroquímicas diseñadas para almacenar y entregar energía eléctrica, la cual utiliza una sal de litio para producir los iones encargados de generar la reacción química entre el catado y el ánodo responsable de producir el flujo de electrones. En las baterías modernas de alta energía, como las utilizadas en los autos eléctricos, el electrodo positivo, o cátodo, está compuesto por un óxido estratificado de un metal de transición como Ni, Co y Mo mientras que el ánodo, o electrodo negativo, está compuesto de grafito.
Diagrama general de funcionamiento de una batería de Li-ion. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.
Así como ocurre con las pilas alcalinas que utilizamos en los juguetes y equipos electrónicos, las baterías de Li-ion proporcionan electricidad mediante el movimiento de iones, y en las baterías de Li-ion estos iones son suministrados por óxidos metálicos de litio, como el compuesto LiCoO2. Estos óxidos de litio se utilizan en el cátodo, mientras que en el ánodo se utilizan compuestos de litio-carbono para permitir la intercalación, es decir, un proceso en el cual los iones se insertan en la estructura de los materiales, y en este caso, los electrodos permiten que los iones de litio entren y salgan de su estructura.
El flujo de electrones se produce mediante reacciones de óxido reducción que ocurren dentro de la batería; en el cátodo tiene lugar la reacción de reducción, por ejemplo, allí se combina óxido de cobalto con los iones de litio para formar el óxido de litio-cobalto (LiCoO2), la semirreacción se puede describir como:
Por otro lado, en el ánodo tiene lugar la oxidación, allí el compuesto de litio-grafito, LiC6, forma grafito (C6) e iones de litio. La semirreacción se puede escribir como:
Y la reacción global quedaría de la siguiente forma:
Como vemos, es una reacción reversible, en el sentido directo (de izquierda a derecha) se produce la descarga, mientras que en el sentido inverso (de derecha a izquierda) se produce la carga de la batería.
¿Qué evita que una batería se cargue en minutos?
Ahora bien, durante la carga de la celda, los iones de litio se extraen del cátodo y son transportados hasta el ánodo, donde se intercalan entre los planos de las partículas de grafito, lo que se ha detectado al intentar someter las baterías de este tipo a cargas rápidas, es que se produce un enriquecimiento de las sales en el cátodo y un agotamiento de sales en el ánodo, lo que conduce a una distribución desigual de los iones de litio aumentando el espesor del electrodo. Esta condición tiene como consecuencia la reducción de la conductividad de los iones en el medio electrolítico y la polarización de ambos electrodos, lo que produce daños irreversibles en la celda.
En este sentido, en una nueva investigación del Laboratorio Nacional de Argonne, se ha descubierto un interesante comportamiento químico de uno de los dos terminales de la batería cuando ésta se carga y se descarga, esto en respuesta a la iniciativa financiada por el Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), cuyo propósito es identificar los procesos químicos que limitan la carga rápida de las baterías de Li-ion con la finalidad de desarrollar la tecnología necesaria para completar la carga de una batería en 10 minutos o menos.
Según los autores del estudio, afirman haber observado que el revestimiento del ánodo es una de las consecuencias que causa el deterioro de las baterías que se someten a carga rápida. Como ya hemos mencionado, durante la carga de las baterías el iones de litio se mueven a través del electrolito hasta el ánodo de grafito, el cual se insertan entre los planos atómicos mediante el proceso de intercalación, proceso en el que, si se da correctamente, las baterías pueden cargarse y descargarse.
Sin embargo, durante la carga rápida este proceso no se lleva a cabo de forma adecuada, y en lugar de producirse la intercalación, los iones de litio se mueven de forma desordenada y tienden a acumularse sobre la superficie del ánodo, provocando un efecto de revestimiento, que produce el daño de la batería. Pero además del revestimiento del ánodo, los investigadores señalan que también se produce la inserción de productos de reacción en los poros del electrodo, lo que además causa su expansión y deterioro.
Durante la carga rápida, los iones de litio se acumulan en la superficie del electrodo de grafito. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.
Según sus resultados, mediante imágenes de microscopía de barrido de electrodos (SEM) determinaron que ánodos sometidos a carga rápida son significativamente más gruesos, aparentemente debido a los productos de reducción/hidrólisis del electrolito que se acumulan en los poros del electrodo.
Básicamente el proceso de carga rápida produce una deformación irreversible de la red atómica del grafito, y la inserción de otros productos en los espacios de esta red, con lo cual, los iones de litio no encuentran un espacio donde insertarse, y en su lugar, empiezan a recubrir el electrodo produciendo una especie de chapado, que produce el engrosamiento del electrodo.
Conclusión y aportes
Conocer y entender cuáles son los mecanismos químicos que impiden que una batería de Li-ion se pueda cargar mediante ciclos rápidos abren la posibilidad de desarrollar métodos que mitiguen la deformación estructural del electrodo de grafito, lo cual es fundamental para que estas baterías puedan soportar ciclos repetidos de carga rápida durante un periodo de vida útil considerablemente alto, algo necesario para un mejor desempeño y aceptación de los vehículos eléctricos.
La investigación pone un punto de partida para buscar soluciones al problema, centrándose ahora en buscar formas para evitar que se deforme la red atómica del grafito durante la carga rápida, o en encontrar la manera de que los iones de litio puedan insertarse en esta red de forma organizada durante el proceso, y evitar así la perdida de rendimiento de la batería.
Esperemos que este tipo de investigación nos siga mostrando los aspectos que se deben mejorar para obtener baterías de carga rápida que permitan una mayor adopción de los vehículos eléctricos.
Bueno amigos espero haber compartido información de interés sobre este problema que impide la carga rápida de las baterías de Li-ion. ¡Hasta la próxima!
Referencias
Wikipedia.com. Batería de ion de litio.
Saran Pidaparthy, Marco-Tulio F. Rodrigues, Jian-Min Zuo and Daniel P. Abraham (2021). Increased Disorder at Graphite Particle Edges Revealed by Multi-length Scale Characterization of Anodes from Fast-Charged Lithium-Ion Cells. J. Electrochem. Soc. 168 100509.
Y amigo lector, si desean consultar más artículos de interés científico y de excelente calidad, visiten la etiqueta #STEM-espanol, este es un proyecto adscrito a la comunidad académica y científica #STEMSocial en Hive, una comunidad que promueve contenido científico en las áreas de Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas.