Si se escala, el diseño es una estrategia potencial para aliviar las preocupaciones de que los vehículos totalmente eléctricos carecen de suficiente autonomía para llegar a un destino de manera segura sin detenerse a mitad del viaje.
Los científicos han reconocido la necesidad de diseñar baterías de vehículos eléctricos capaces de cargarse extremadamente rápido para satisfacer las necesidades de los conductores. Sin embargo, una velocidad de carga tan rápida requeriría que una batería absorba rápidamente 400 kilovatios de energía, una hazaña que los vehículos actuales no pueden lograr porque corre el riesgo de enchapado con litio (formando litio metálico alrededor del ánodo), lo que deterioraría gravemente la vida útil de la batería.
Si bien las baterías de litio convencionales se cargan y descargan a la misma temperatura, los investigadores descubrieron que podían sortear el problema del recubrimiento de litio al cargar la batería a una temperatura elevada de 60 grados durante unos minutos y luego descargarla a temperaturas más frías.
Además de la carga rápida, este diseño nos permite limitar el tiempo de exposición de la batería a la temperatura de carga elevada, generando así una vida útil muy larga –explica el autor principal Chao-Yang Wang, ingeniero mecánico de la Universidad Estatal de Pensilvania–. La clave es realizar un calentamiento rápido, de lo contrario la batería se mantendrá a temperaturas elevadas durante demasiado tiempo, causando una degradación severa”.
Para acortar el tiempo de calentamiento y calentar toda la batería a una temperatura uniforme, Wang y sus colegas equiparon un diseño de batería de iones de litio con una estructura de níquel autocalentable que se precalienta en menos de treinta segundos.
Para probar su modelo, cargaron tres celdas de bolsa de grafito diseñadas para vehículos eléctricos híbridos a 40, 49 y 60 grados centígrados, así como un control a 20 grados centígrados, utilizando diversas estrategias de enfriamiento para mantener temperaturas de carga constantes. Para confirmar que no se produjo el recubrimiento de litio, más tarde descargaron completamente las células y las abrieron para su análisis.
Wang y el equipo descubrieron que las baterías precalentadas a 60 grados podían sostener el proceso de carga extremadamente rápido durante mil 700 ciclos, mientras que la celda de control solo podía mantener el ritmo durante 60 ciclos.
A una temperatura de carga promedio entre 49 y 60 grados centígrados, la investigación no observó ningún revestimiento de litio. Los investigadores también observaron que un aumento de la temperatura de carga redujo en gran medida el enfriamiento necesario para mantener la celda a su temperatura inicial: la batería de control generó 3.05 vatios/hora, mientras que la batería de 60 grados generó solo 1.7 vatios/hora.
En el pasado, se creía universalmente que las baterías de iones de litio deberían evitar funcionar a altas temperaturas debido a la preocupación de reacciones secundarias aceleradas –recuerda Wang–. Este estudio sugiere que los beneficios de las placas de litio mitigadas a temperatura elevada con un tiempo de exposición limitado superan con creces el impacto negativo asociado con las reacciones secundarias exacerbadas”.
Los investigadores señalan que la tecnología es completamente escalable porque todas las células están basadas en electrodos disponibles industrialmente; y ya han demostrado su uso en celdas, módulos y paquetes de baterías a gran escala.
La lámina de níquel aumenta el costo de cada celda en un 0.47%, pero debido a que el diseño elimina la necesidad de los calentadores externos utilizados en los modelos actuales, en realidad reduce el costo de producción de cada paquete.
A partir de ahora, el equipo de Wang planea llevar su diseño un paso más allá. “Estamos trabajando para cargar una batería de vehículo eléctrico de alta densidad energética en cinco minutos sin dañarla –avanza–. Esto requerirá electrolitos altamente estables y materiales activos además de la estructura de autocalentamiento que hemos inventado”.
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