Según una investigación del SLAC-Stanford Battery Center, cargar una batería de iones de litio nueva en fábrica con corrientes elevadas agota significativamente su suministro de litio, pero prolonga la vida útil de la batería. El litio perdido se suele utilizar para formar una capa protectora denominada SEI en el electrodo negativo. Sin embargo, en condiciones de carga rápida, los iones de litio también se consumen durante las reacciones secundarias en el electrodo negativo. Esto crea espacio libre adicional en ambos electrodos y ayuda a mejorar el rendimiento y la vida útil de la batería.
La primera carga de una batería de iones de litio es más importante de lo que parece. Determina el funcionamiento y la duración de la batería a partir de ese momento, en particular, cuántos ciclos de carga y descarga puede soportar antes de deteriorarse.
Investigadores del Centro de Baterías SLAC-Stanford informan que dar a las baterías esta primera carga con corrientes inusualmente altas aumentó su vida útil promedio en un 50%, al tiempo que redujo el tiempo de carga inicial de 10 horas a solo 20 minutos.
Igualmente importante es que los investigadores pudieron usar el aprendizaje automático científico para identificar cambios específicos en los electrodos de la batería que explican este aumento en la vida útil y el rendimiento: información invaluable para los fabricantes de baterías que buscan optimizar sus procesos y mejorar sus productos.
El estudio fue realizado por un equipo de SLAC/Stanford dirigido por el profesor Will Chueh en colaboración con investigadores del Toyota Research Institute (TRI), el Massachusetts Institute of Technology y la Universidad de Washington.
“Este es un excelente ejemplo de cómo SLAC está aplicando la ciencia de la fabricación para que las tecnologías críticas para la transición energética sean más asequibles”, afirmó Chueh. “Estamos resolviendo un verdadero desafío al que se enfrenta la industria; y lo más importante es que nos asociamos con ella desde el principio”.
Los resultados tienen implicaciones prácticas no sólo para la fabricación de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos y la red eléctrica, sino también para otras tecnologías, dijo Steven Torrisi, científico investigador senior del TRI que colaboró en la investigación.
“Este estudio es muy interesante para nosotros”, afirmó. “La fabricación de baterías requiere mucho capital, energía y tiempo. Lleva mucho tiempo poner en marcha la fabricación de una nueva batería y es realmente difícil optimizar el proceso de fabricación porque intervienen muchos factores”.
Torrisi afirmó que los resultados de esta investigación “demuestran un enfoque generalizable para comprender y optimizar este paso crucial en la fabricación de baterías. Además, es posible que podamos transferir lo que hemos aprendido a nuevos procesos, instalaciones, equipos y químicas de baterías en el futuro”.
Una “capa blanda” que es clave para el rendimiento de la batería
Para entender qué sucede durante el ciclo inicial de la batería, el equipo de Chueh construye celdas tipo bolsa en las que los electrodos positivo y negativo están rodeados por una solución electrolítica donde los iones de litio se mueven libremente.
Cuando una batería se carga, los iones de litio fluyen hacia el electrodo negativo para almacenarse. Cuando una batería se descarga, vuelven a fluir hacia el electrodo positivo, lo que desencadena un flujo de electrones para alimentar dispositivos, desde automóviles eléctricos hasta la red eléctrica.
El electrodo positivo de una batería recién fabricada está lleno al 100% de litio, dijo Xiao Cui, el investigador principal del equipo de informática de baterías en el laboratorio de Chueh. Cada vez que la batería pasa por un ciclo de carga y descarga, parte del litio se desactiva. Minimizar esas pérdidas prolonga la vida útil de la batería.
Curiosamente, una forma de minimizar la pérdida total de litio es perder deliberadamente un gran porcentaje del suministro inicial de litio durante la primera carga de la batería, dijo Cui. Es como hacer una pequeña inversión que produce buenos rendimientos en el futuro.
Esta pérdida de litio en el primer ciclo no es en vano. El litio perdido pasa a formar parte de una capa blanda llamada interfase electrolítica sólida, o SEI, que se forma en la superficie del electrodo negativo durante la primera carga. A cambio, la SEI protege al electrodo negativo de reacciones secundarias que acelerarían la pérdida de litio y degradarían la batería más rápido con el tiempo. Conseguir la SEI adecuada es tan importante que la primera carga se conoce como carga de formación.
“La formación es el paso final del proceso de fabricación”, dijo Cui, “por lo que si falla, todo el valor y el esfuerzo invertido en la batería hasta ese momento se desperdician”.
La alta corriente de carga aumenta el rendimiento de la batería
Los fabricantes suelen cargar las baterías nuevas por primera vez con corrientes bajas, con la teoría de que esto creará la capa SEI más robusta. Pero hay un inconveniente: cargar con corrientes bajas requiere mucho tiempo y es costoso y no necesariamente produce resultados óptimos. Por eso, cuando estudios recientes sugirieron que una carga más rápida con corrientes más altas no degrada el rendimiento de la batería, fue una noticia emocionante.
Pero los investigadores querían investigar más a fondo. La corriente de carga es solo uno de los muchos factores que intervienen en la formación de SEI durante la primera carga. Probar todas las combinaciones posibles de ellos en el laboratorio para ver cuál funcionaba mejor es una tarea abrumadora.
Para reducir el problema a un tamaño manejable, el equipo de investigación utilizó el aprendizaje automático científico para identificar qué factores son los más importantes para lograr buenos resultados. Para su sorpresa, solo dos de ellos (la temperatura y la corriente a la que se carga la batería) sobresalían del resto.
Los experimentos confirmaron que la carga a altas corrientes tiene un gran impacto, ya que aumenta la vida útil de la batería de prueba promedio en un 50%. También desactivó un porcentaje mucho mayor de litio por adelantado, alrededor del 30%, en comparación con el 9% con los métodos anteriores, pero eso resultó tener un efecto positivo.
Según Cui, extraer más iones de litio por adelantado es como sacar agua de un balde lleno antes de transportarlo. El espacio libre adicional en el balde reduce la cantidad de agua que salpica en el camino. De manera similar, desactivar más iones de litio durante la formación libera espacio libre en el electrodo positivo y permite que el electrodo realice su ciclo de manera más eficiente, mejorando el rendimiento posterior.
“La optimización por fuerza bruta mediante ensayo y error es una rutina en la fabricación: ¿Cómo debemos realizar la primera carga y cuál es la combinación ganadora de factores?”, dijo Chueh. “Aquí, no solo queríamos identificar la mejor receta para fabricar una buena batería; queríamos entender cómo y por qué funciona. Esta comprensión es crucial para encontrar el mejor equilibrio entre el rendimiento de la batería y la eficiencia de fabricación”.
Vía stanford.edu
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