Un equipo de ingenieros de Cornell ha creado una batería de litio innovadora que puede cargarse en menos de cinco minutos, más rápido que cualquier batería similar en el mercado, manteniendo un rendimiento estable a lo largo de extensos ciclos de carga y descarga.
Nueva batería de litio de carga rápida busca eliminar la «ansiedad por la autonomía»
Este avance podría aliviar la «ansiedad por la autonomía» entre los conductores preocupados porque los vehículos eléctricos no puedan recorrer largas distancias sin una recarga que consume mucho tiempo.
La ansiedad por la autonomía es una barrera mayor para la electrificación en el transporte que cualquiera de las otras barreras, como el costo y la capacidad de las baterías, y hemos identificado un camino para eliminarla utilizando diseños racionales de electrodos. Si puedes cargar una batería de VE en cinco minutos, digo, vaya, no necesitas tener una batería lo suficientemente grande para una autonomía de 300 millas. Puedes conformarte con menos, lo que podría reducir el costo de los VE, permitiendo una adopción más amplia.
Lynden Archer, Profesor Distinguido de la Familia James A. Friend de Ingeniería y decano de Cornell Engineering
El equipo publicó su artículo, «Carga rápida, almacenamiento de larga duración en baterías de litio«, el 16 de enero en la revista Joule. El autor principal es Shuo Jin, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular.
Las baterías de iones de litio son uno de los medios más populares para alimentar vehículos eléctricos y teléfonos inteligentes. Estas baterías son ligeras, fiables y relativamente eficientes en términos energéticos. Sin embargo, tardan horas en cargarse y carecen de la capacidad para manejar grandes aumentos de corriente.
Nuestro objetivo era crear diseños de electrodos de batería que se carguen y descarguen de manera que se alineen con la rutina diaria», dijo Jin. «En términos prácticos, deseamos que nuestros dispositivos electrónicos se carguen rápidamente y operen durante períodos extendidos. Para lograr esto, hemos identificado un material único de ánodo de indio que puede emparejarse eficazmente con diversos materiales de cátodo para crear una batería que se carga rápidamente y descarga lentamente.
Shuo Jin
El laboratorio de Archer anteriormente abordó el diseño de baterías enfocándose en cómo los iones se mueven en los electrolitos y cristalizan en interfaces de ánodos metálicos, luego utilizó este conocimiento para manipular la morfología del electrodo para hacer ánodos más seguros para almacenamiento de larga duración.
Para su nueva batería de litio, los investigadores tomaron un enfoque diferente y se centraron en la cinética de las reacciones electroquímicas, empleando específicamente un concepto de ingeniería química denominado «número de Damköhler». Esto es esencialmente una medida de la tasa a la que ocurren las reacciones químicas, en relación con la tasa a la que el material es transportado al sitio de la reacción.
Identificar materiales de electrodos de batería con tasas de transporte sólido intrínsecamente rápidas, y por lo tanto números de Damköhler bajos, ayudó a los investigadores a señalar al indio como un material excepcionalmente prometedor para baterías de carga rápida. El indio es un metal blando, utilizado principalmente para hacer recubrimientos de óxido de indio y estaño para pantallas táctiles y paneles solares, así como un reemplazo para el plomo en soldaduras de baja temperatura.
El nuevo estudio muestra que el indio tiene dos características cruciales como ánodo de batería: una barrera de energía de migración extremadamente baja, que establece la tasa a la que los iones se difunden en el estado sólido; y una densidad de corriente de intercambio modesta, que está relacionada con la tasa a la que los iones se reducen en el ánodo. La combinación de estas cualidades –difusión rápida y cinéticas de reacción superficial lentas– es esencial para la carga rápida y el almacenamiento de larga duración.
La innovación clave es que hemos descubierto un principio de diseño que permite que los iones metálicos en un ánodo de batería se muevan libremente, encuentren la configuración correcta y solo entonces participen en la reacción de almacenamiento de carga. El resultado final es que en cada ciclo de carga, el electrodo está en un estado morfológico estable. Es precisamente lo que otorga a nuestras nuevas baterías de carga rápida la capacidad de cargar y descargar repetidamente a lo largo de miles de ciclos.
Lynden Archer
Esa tecnología, junto con la carga por inducción inalámbrica en las carreteras, reduciría el tamaño y el costo de las baterías, haciendo que el transporte eléctrico sea una opción más viable para los conductores.
Sin embargo, eso no significa que los ánodos de indio sean perfectos o incluso prácticos.
Aunque este resultado es emocionante, ya que nos enseña cómo llegar a baterías de carga rápida, el indio es pesado. Ahí radica una oportunidad para la modelización química computacional, quizás utilizando herramientas de IA generativa, para aprender qué otras químicas de materiales ligeros podrían lograr los mismos números de Damköhler intrínsecamente bajos. Por ejemplo, ¿existen aleaciones metálicas que nunca hemos estudiado, que tienen las características deseadas? De ahí proviene mi satisfacción, de que hay un principio general en juego que permite a cualquiera diseñar un mejor ánodo de batería que logra tasas de carga más rápidas que la tecnología de vanguardia.
Lynden Archer
Entre los coautores se incluyen Yong Joo, profesor en la Escuela Robert Frederick Smith de Ingeniería Química y Biomolecular; Rong Yang, profesor asistente en la Escuela Smith; y los estudiantes de doctorado Xiaosi Gao, Shifeng Hong, Yue Deng y Pengyu Chen.
Vía cornell.edu
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