La presión óptima duplica la vida útil de las baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio son el núcleo de la electromovilidad y del suministro descentralizado de energía. Durante la carga y descarga, los iones de litio se depositan y eliminan entre las capas de electrodos. Este proceso conduce a cambios de volumen de hasta el 10% o más, dependiendo del material del electrodo. La constante expansión y contracción crea tensiones mecánicas que, con el tiempo, provocan grietas en el cátodo o hacen que el litio metálico se deposite en el ánodo. Ambos efectos aceleran la pérdida de capacidad y reducen significativamente la vida útil. En Alemania, donde se esperan millones de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento a gran escala en los próximos años, cualquier mejora en la duración de la batería tiene un impacto directo en las importaciones de materias primas, los esfuerzos de reciclaje y los costos generales de la transición energética. Las optimizaciones anteriores con nuevos materiales normalmente solo conseguían aumentos en el rango porcentual de un solo dígito. Sin embargo, los trabajos actuales muestran que una medida puramente mecánica puede lograr un efecto significativamente mayor.

El método de presión óptima constante.

El equipo de investigación dirigido por Michael De Volder de la Universidad de Cambridge ha desarrollado un banco de pruebas especial que aplica cojines de aire neumáticos a celdas de baterías de iones de litio disponibles comercialmente. Estos cojines se adaptan automáticamente a cambios mínimos de volumen durante los ciclos y mantienen la presión exactamente constante. Los científicos determinaron un rango óptimo de aproximadamente 12,5 bar, aproximadamente cuatro veces mayor que la presión de contacto normal en los módulos de batería. Por debajo de este valor aparecen grietas en el cátodo; por encima de este valor, se deposita litio metálico no deseado en el ánodo. Sólo en la denominada gama Ricitos de Oro ambos electrodos permanecen mecánicamente intactos durante muchos cientos de ciclos. Los experimentos demostraron que en estas condiciones las baterías sobrevivieron aproximadamente el doble de ciclos de carga y descarga en comparación con celdas idénticas sin presión controlada o con una presión demasiado alta o demasiado baja. El estudio fue publicado en la revista Nature Energy y se basa en pruebas sistemáticas con células comerciales sin cambiar su composición química.

Por qué este enfoque es relevante en la práctica

Duplicar la duración de la batería tiene un impacto directo en los vehículos eléctricos, el almacenamiento estacionario y toda la cadena de valor de la tecnología de baterías. Las baterías de mayor duración implican un reemplazo menos frecuente, menores necesidades de litio, cobalto y níquel, y una reducción significativa de la carga de la infraestructura de reciclaje. En Alemania, donde los fabricantes de automóviles invierten mucho en electromovilidad y al mismo tiempo tienen estrictas regulaciones de la UE sobre economía circular, la nueva tecnología de impresión podría fortalecer la competitividad de los productos nacionales. Además, la huella ecológica se reduce porque las nuevas materias primas se extraen con menos frecuencia y hay que reciclar menos baterías. Los investigadores ya han registrado una patente que debería permitir aplicaciones industriales. Se están llevando a cabo las primeras negociaciones con los fabricantes de baterías para integrar el control de presión neumática en módulos en serie. El método es escalable y podría usarse tanto en celdas de bolsillo como prismáticas.

Próximos pasos y preguntas abiertas

Aunque los resultados de laboratorio son convincentes, todavía faltan pruebas en condiciones reales de funcionamiento con fluctuaciones de temperatura, vibraciones y procesos de carga rápidos. Los investigadores señalan que la impresión Goldilocks no es una solución única para todas las químicas de las baterías, sino que fue optimizada para los sistemas comerciales estudiados. Sin embargo, los datos muestran claramente que hasta ahora se han subestimado las condiciones límite mecánicas. Los desarrollos futuros podrían integrar el control de presión directamente en la carcasa de la batería o en la arquitectura del vehículo. Esto ofrece a las industrias de baterías alemana y europea la oportunidad de mejorar significativamente las tecnologías de celdas existentes sin costosas conversiones de materiales y, al mismo tiempo, lograr mejor los objetivos de sostenibilidad de la transición energética.

El estudio completo es de libre acceso en Nature Energy. Puede encontrar más información sobre tecnología y reciclaje de baterías en esta plataforma sobre procesos de reciclaje de baterías de iones de litio. Otro artículo relevante trata sobre dispositivos usados ​​que reducen significativamente los residuos electrónicos.