Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania ha ideado una batería que es capaz de recarcarse parcialmente en tan solo 10 minutos.
Movilidad y transporte22/11/2019 Fuente: Periodismo Digital
Este nuevo dispositivo podría ser una solución para los coches eléctricos con poca autonomía, que a menudo tienen que parar a mitad de los viajes largos para recargar sus baterías, en algunos casos demorando su viaje hasta más de diez horas.
Así, los investigadores han desarrollado una batería de iones de litio que se carga a una temperatura elevada para aumentar la velocidad de reacción, pero mantiene la celda fría durante la descarga, lo que muestra la posibilidad de agregar más de 300 kilómetros (200 millas, aseguran sus creadores) de autonomía a un automóvil eléctrico en tan solo 10 minutos. Los resultados se publican en la revista « Joule».
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 la batería absorba rápidamente 400 kilovatios de energía, una hazaña que los vehículos actuales no pueden lograr porque corren el riesgo de que se forme una suerte de recubrimiento de litio en torno a los ánodos de la batería -algo parecido a lo que ocurre con la oxidación en los metales- y que esta se vea gravamente dañada.
Estructura de níquel
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 Celsius durante unos minutos para 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», afirma 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 poner 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 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.
La sorpresa
Wang y el equipo descubrieron que las baterías precalentadas a 60 grados Celsius podían sostener el proceso de carga extremadamente rápido durante 1.700 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 encontraron que un aumento de la temperatura de carga redujo en gran medida el enfriamiento necesario para mantener la celda a su temperatura inicial: la celda de control generó 3.05 vatios-hora, mientras que la celda de 60 grados Celsius generó solo 1.7 vatios-hora.
«En el pasado se creía que las baterías de iones de litio deberían evitar funcionar a altas temperaturas debido a la preocupación de reacciones secundarias aceleradas».
«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».
Tecnología casi disponible
Los investigadores señalan que la tecnología es completamente escalable porque todas las células están basadas en electrodos disponibles industrialmente. Además, ya han demostrado su uso en celdas, módulos y paquetes de baterías a gran escala. La lámina de níquel aumenta el coste 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 continuación, 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. Esto requerirá electrolitos altamente estables y materiales activos además de la estructura de autocalentamiento que hemos inventado».
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