¿Por qué las baterías tardan tanto en cargar?

Química

Del afán sólo queda el cansancio, como dice el refrán. Tal máxima puede ser especialmente cierta para las baterías, gracias a un nuevo estudio que busca identificar las razones que causan que el rendimiento de las baterías de iones de litio cargadas rápidamente se degrade en los vehículos eléctricos.

En una nueva investigación del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), los científicos han encontrado un comportamiento químico interesante de uno de los dos terminales de la batería cuando la batería se carga y descarga. Las baterías de iones de litio contienen un cátodo con carga positiva y un ánodo con carga negativa, que están separados por un material llamado electrolito que mueve los iones de litio entre ellos. El ánodo de estas baterías generalmente está hecho de grafito, el mismo material que se encuentra en muchos lápices. En las baterías de iones de litio, sin embargo, el grafito se ensambla a partir de pequeñas partículas. Dentro de estas partículas, los iones de litio pueden insertarse en un proceso llamado intercalación. Cuando la intercalación ocurre correctamente, la batería se puede cargar y descargar correctamente.

Sin embargo, cuando una batería se carga demasiado rápido, la intercalación se convierte en un asunto más complicado. En lugar de penetrar suavemente en el grafito, los iones de litio tienden a agregarse en la parte superior de la superficie del ánodo, lo que resulta en un efecto de “recubrimiento” que puede causar daños en los terminales (sin juego de palabras) en una batería.

“El enchapado es una de las principales causas del deterioro del rendimiento de la batería durante la carga rápida”, dijo el científico de baterías de Argonne Daniel Abraham, autor del estudio. “A medida que cargamos la batería rápidamente, descubrimos que, además del revestimiento en la superficie del ánodo, había una acumulación de productos de reacción dentro de los poros del electrodo”. Como resultado, el ánodo mismo sufre cierto grado de expansión irreversible, lo que afecta el rendimiento de la batería.

Usando una técnica llamada nanodifracción de electrones de barrido, Abraham y sus colegas de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign observaron otro cambio notable en las partículas de grafito. A nivel atómico, la red de átomos de grafito en los bordes de las partículas se distorsiona debido a la carga rápida repetida, lo que dificulta el proceso de intercalación. “Básicamente, lo que vemos es que la red atómica en el grafito se deforma, y ​​esto evita que los iones de litio encuentren su ‘hogar’ dentro de las partículas; en cambio, se colocan sobre las partículas”, dijo.

“Cuanto más rápido carguemos nuestra batería, más desordenado atómicamente se volverá el ánodo, lo que finalmente evitará que los iones de litio puedan moverse hacia adelante y hacia atrás”, dijo Abraham. “La clave es encontrar formas de prevenir esta pérdida de organización o modificar de alguna manera las partículas de grafito para que los iones de litio puedan intercalarse de manera más eficiente”.

Un artículo basado en el estudio, “Mayor desorden en los bordes de las partículas de grafito revelado por la caracterización a escala de múltiples longitudes de los ánodos de las celdas de iones de litio de carga rápida”, apareció en la edición del 8 de octubre de la revista Journal of the Electrochemical Society.

Fuente: Tech Xplore.

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