Javier Gete
Se podrá así incrementar su vida útil y mantener la capacidad
La Universidad de Chicago viene trabajando sobre la degradación de las baterías con cátodos gruesos, que son las que se utilizan en los vehículos eléctricos, donde mediante el uso de la microscopía electrónica y el modelado por computadora, se ha conseguido conocer cómo se degradan las baterías a nivel atómico.
La vida útil de las baterías se mide por la cantidad de procesos de carga y descarga que consiguen sin que se pueda apreciar una excesiva degradación en cuanto a capacidad energética, ya que estos procesos producen expansiones y contracciones de los materiales que componen tanto su cátodo y como su ánodo.
Es evidente que estos cambios de volumen provocan daños que son los que en el tiempo hacen perder capacidad energética a la batería, reduciendo así la autonomía total del vehículo. Por ello la Universidad de Chicago ha realizado un estudio que podrá permitir el diseño de baterías de litio con una mayor duración, realizado mediante microscopía de máxima potencia y técnicas de modelado por computadora, para poder conocer al detalle el proceso de degradación de este material que componen la mayoría de las baterías actuales, aportando soluciones al gran desafío del almacenamiento de energía eléctrica.
De hecho, múltiples fabricantes, tanto de baterías como de vehículos, tienen procesos de investigación en marcha ya muy avanzados en este sentido, aplicando sus diversos logros a las variantes electrificadas en todas sus gamas, hecho este último del que sólo algunas marcas pueden presumir por el momento.
¿Cómo es el proceso de degradación?
Dado que el litio es un material especialmente ligero con una gran relación de densidad de energía-peso, la degradación de su uso se produce generando que la capacidad energética de estas baterías de iones de litio se resienta con cierta rapidez.
Al cargar este tipo de baterías, los iones de litio pasan del cátodo, con carga positiva, al ánodo con carga negativa, liberando así la energía y haciendo que los iones regresen del ánodo al cátodo, generando la degradación de cátodo como consecuencia del deterioro que provocan la expansión y contracción del electrodo.
¿Cómo evitar esta degradación tras este estudio?
Las baterías de litio que utilizan los vehículos electrificados suelen habitualmente utilizar electrodos gruesos que aportan una mayor densidad de energía. Estos electrodos gruesos producen una degradación debido al uso de una mayor energía y son mucho más difíciles de estudiar por su propio tamaño, por lo que en este estudio ha sido necesario recurrir a la microscopía electrónica de barrido de haz de iones (PFIB-SEM) para así poder visualizar los cambios que se producen en los cátodos gruesos realizando imágenes específicas de las estructuras tridimensionales del material.
En el estudio se compararon un cátodo nuevo con otro que se había cargado y descargado 15 veces, construyendo modelos computacionales para emular el proceso de degradación de dicho cátodo, y consiguiendo así documentar al detalle todas sus evoluciones y formas.
Principales conclusiones del estudio
Finalmente el resultado de este estudio devela las diversas variaciones de la arquitectura de cada área de la batería que generan los cambios estructurales de la misma, concluyendo en que la corrosión del electrolito ocurre más frecuentemente sobre una delgada lámina sobre la superficie del cátodo, acelerando su degradación como consecuencia de las expansiones y contracciones del mismo cátodo.
Además se ha determinado que el debilitamiento de los contactos entre el CBD (rejilla porosa de fluoropolímero y átomos de carbono que mantiene unidos los materiales activos de un electrodo para conducir la electricidad a través de la batería) y los materiales activos del cátodo, lleva directamente a una clara disminución del rendimiento de las baterías.
¿Cómo serán, en consecuencia, las baterías del futuro?
Se han analizado cuales deberán ser los ajustes a realizar en el diseño del electrodo para evitar o disminuir al máximo su degradación, concluyendo que al cambiar la estructura del CBD se consigue prevenir este empeoramiento, aumentando así la vida útil de las baterías.
Actualmente los ingenieros y científicos que participan en este estudio, están analizando la posibilidad de incorporar cátodos más gruesos aún y están trabajando sobre modelos adicionales que ayuden a ralentizar la degradación de los electrodos, estando ya prácticamente resuelto el proceso y poniendo las soluciones oportunas al mismo.
Como consecuencia de este estudio, pronto se podrá disponer de baterías de iones de litio que apenas produzcan degradaciones, con su vida útil muy alargada y que aportarán a los vehículos eléctricos autonomías mantenidas en el tiempo.
