Los coches eléctricos ya tienen una autonomía comparable a la de los coches de gasolina y diésel, pero las baterías tienen un problema adicional: se degradan con el tiempo. Ahora, un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Dalhousie en Canadá sugiere que podría haber una forma mejor. Los investigadores descubrieron que los “electrodos monocristalinos” podrían alimentar vehículos eléctricos (VE) durante millones de kilómetros a lo largo de décadas. En otras palabras, la degradación de la batería de los VE ya no sería una preocupación práctica.
La electrificación de nuestros sistemas de transporte y energía depende de baterías fiables y duraderas. De hecho, las baterías son uno de los mayores cuellos de botella que frenan esta transición. Las baterías de iones de litio han revolucionado el almacenamiento de energía, pero su rendimiento disminuye después de años de uso.
Según la ley estadounidense, las baterías de iones de litio que alimentan los VE en la carretera deben poder mantener el 80% de su carga completa original después de 8 años de funcionamiento. Muchos científicos creen que eso no es suficiente. Si las baterías pudieran durar décadas, sería un cambio radical no solo para los coches, sino también para nuestro uso de electricidad. Las baterías usadas podrían tener una segunda vida en los sistemas de energía de la red, almacenando energía eólica o solar. Aquí es donde entran en juego las baterías de electrodos monocristalinos.
Estas baterías utilizan materiales compuestos de estructuras cristalinas individuales de gran tamaño, mientras que las baterías tradicionales suelen constar de partículas policristalinas agregadas. En el nuevo estudio, un equipo dirigido por Toby Bond evaluó la durabilidad de las baterías comerciales monocristalinas. Los investigadores descubrieron que son mucho más duraderas que las baterías convencionales.
Baterías monocristalinas duraderas
La batería monocristalina se sometió a un amplio ciclo durante seis años, completando más de 20.000 ciclos, equivalentes a 8 millones de kilómetros de uso de vehículos eléctricos. Después de todo esto, estaba al 80% de su capacidad, la capacidad que las baterías de vehículos eléctricos convencionales suelen alcanzar después de 2.400 ciclos. Después de 2,5 años, las baterías monocristalinas conservaban el 96% de su capacidad. Los investigadores también caracterizaron lo que sucede dentro de las baterías a medida que sufren desgaste en condiciones reales.
“El objetivo principal de nuestra investigación era comprender cómo progresan con el tiempo los daños y la fatiga dentro de una batería y cómo podemos prevenirlos”, afirma Toby Bond.
Las tomografías computarizadas (TC) de alta resolución revelaron una extensa microfisura en el cátodo de las celdas con un alto nivel de ciclo. La carga y descarga de la batería básicamente fuerza a los átomos de litio del material de la batería a separarse. Esto provoca la expansión y contracción del material, lo que da lugar a grietas. “Finalmente, había tantas grietas que el electrodo quedó prácticamente pulverizado”, afirma Bond.
Estas grietas alteran la integridad estructural del electrodo, reduciendo el material activo y creando zonas muertas por donde los iones de litio ya no pueden fluir. Los cátodos monocristalinos, en comparación, mostraron mucho menos grietas, lo que refuerza su potencial para baterías más duraderas. “En nuestras imágenes, se parecía mucho a una celda nueva. Casi no podíamos notar la diferencia”.
La investigación también sugiere que los revestimientos de superficie y los aditivos de electrolitos pueden mitigar la degradación. Se demostró que los revestimientos de alúmina y los aditivos cuidadosamente seleccionados ralentizan la degradación. Cabe destacar que el ciclo de profundidad parcial (hasta un 25% de profundidad de la batería) también reduce la degradación en comparación con el ciclo de batería completa, lo que sugiere que cargar la batería con más frecuencia puede ser una buena idea.
La tecnología ya existe
La buena noticia es que este tipo de batería ya está aquí. No se usa comúnmente en autos eléctricos y su producción no está a gran escala, pero la tecnología existe. Este nuevo estudio simplemente describe una mejor metodología para evaluar qué tan bien funciona.
Los investigadores enfatizan la importancia de estudiar las celdas comerciales en condiciones realistas (como se hizo aquí). Al usar celdas comerciales del mundo real en lugar de las construidas en laboratorio, el estudio aseguró que los resultados se aplicaran a las condiciones de uso reales. Si bien las celdas construidas en laboratorio brindan datos útiles, a menudo no logran replicar los patrones de degradación matizados que se observan en el campo.
“Creo que un trabajo como este solo ayuda a subrayar cuán confiables son, y debería ayudar a las empresas que fabrican y usan estas baterías a planificar a largo plazo”, agrega Bond.
Desde cátodos monocristalinos hasta estrategias de ciclado optimizadas, los conocimientos adquiridos a partir de este trabajo son buenas noticias para nuestro objetivo de un mundo más sostenible y electrificado. A medida que estos hallazgos se abren camino hacia aplicaciones comerciales, la promesa de baterías para vehículos eléctricos más eficientes y duraderas se acerca cada vez más a la realidad.
“Realmente necesitamos que estos vehículos duren el mayor tiempo posible, porque cuanto más los conduzcas, mejor será la mejora en la huella de carbono”, afirma Bond.
El estudio “La naturaleza compleja y espacialmente heterogénea de la degradación en celdas de iones de litio de alto ciclo” se publicó en el Journal of the Electrochemical Society.
Fuente: ZME Science.
