Preguntas y respuestas:Optimización de las baterías de iones de litio para una carga extremadamente rápida

El Dr. Tanvir Tanim y su equipo en el Laboratorio Nacional de Idaho diseñaron baterías de iones de litio que se pueden cargar en 10 a 15 minutos en una estación de carga al borde de la carretera. Desarrollaron un algoritmo de aprendizaje automático que detecta el recubrimiento de litio no deseado que podría ocurrir en estas condiciones.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo empezó el proyecto?

Dra. Tanvir Tanim: Nos involucramos en el programa de carga extremadamente rápida, que fue patrocinado por la Oficina de Tecnología de Vehículos del Departamento de Energía en 2017. El objetivo era habilitar la carga extremadamente rápida (XFC) en baterías de iones de litio, de 10 a 15 minutos de carga, básicamente. hacer que la experiencia de recarga de vehículos eléctricos sea comparable a la experiencia de recarga de combustible de los vehículos de gasolina. Esa es una de las principales consideraciones para los consumidores de vehículos eléctricos.

Para ese programa, probamos muchas baterías de iones de litio a tasas de carga extremadamente rápidas. Cuando carga estas baterías a altas velocidades, se encuentra con muchos problemas:el revestimiento de litio es uno de los principales. Las baterías contienen una cantidad finita de litio, por lo que no desea que se pierda durante la carga y la descarga, sino que debe pasar del ánodo al cátodo. Sin embargo, durante la carga rápida, el litio ciclable puede depositarse en la superficie del ánodo, lo cual es una reacción parásita indeseable:el litio depositado no se puede recuperar; durante la descarga, no puede volver al cátodo.

Hay otros problemas con el enchapado. Si no lo detecta a tiempo, seguirá ocurriendo y podría resultar en un evento catastrófico. Por ejemplo, el Li enchapado podría tomar una forma dendrítica y crecer como una aguja desde el ánodo y podría perforar el separador, creando un cortocircuito interno.

Entonces, estábamos probando muchas baterías de iones de litio, haciendo modificaciones de diseño y luego volviendo a probar para ver si se estaba produciendo el recubrimiento de litio. En ese momento, sin embargo, no teníamos una buena forma de detectar el recubrimiento. Después de la prueba, abriríamos la celda para ver si había placas o haríamos una prueba posterior adicional. Realmente no teníamos ningún método sólido de detección de placas de litio basado en firmas electroquímicas, pero estábamos aprendiendo mucho.

Luego nos involucramos en un programa diferente, llamado aprendizaje automático basado en la física, también financiado por el DOE. El objetivo de ese programa era desarrollar algoritmos basados ​​en inteligencia artificial/aprendizaje automático para obtener una proyección confiable de la duración de la batería junto con la identificación de las causas fundamentales subyacentes de la degradación. En ese momento, habíamos recopilado una gran cantidad de datos y generado una comprensión integral de los diferentes modos y mecanismos de degradación. Pensamos, dado que tenemos todos esos datos y conocemos las firmas electroquímicas que se relacionan con el revestimiento de litio, ¿por qué no formulamos eso en un problema de aprendizaje automático? Podríamos usar las firmas electroquímicas, incorporar el aprendizaje automático y ver si eso podría ayudarnos a idear una estrategia para detectar el revestimiento de litio.

Una cosa llevó a la otra, y llegamos a la conclusión de que este podría ser un método muy bueno para detectar el revestimiento de litio desde el principio, sin abrir la celda. Abrir la celda y realizar la prueba posterior lleva tiempo, es costoso y retrasa el desarrollo del ciclo de vida de la batería.

Resúmenes técnicos: Entonces, ¿su método fue detectar ciertas firmas electroquímicas?

Tanim: En ese momento, teníamos toneladas de datos electroquímicos y obtuvimos una buena comprensión de la física detrás de ellos. Identificamos las firmas electroquímicas clave que podrían estar relacionadas con el revestimiento de litio. Luego ejecutamos con esos datos, incorporamos el aprendizaje automático y resolvimos el problema que habíamos formulado en ese momento.

Resúmenes técnicos: ¿Podría decirme algo sobre qué tipo particular de datos usó?

Tanim: Nos enfocamos principalmente en los datos electroquímicos porque se pueden recopilar fácilmente; de ​​hecho, durante las pruebas siempre buscamos firmas electroquímicas para describir los problemas de vida útil y rendimiento en las baterías de iones de litio. Las firmas típicas son voltaje, corriente, temperatura, etc. Puede convertir esas firmas en diferentes variables secundarias. Por ejemplo, analizamos la capacidad de descarga y las tendencias de desvanecimiento de la capacidad, su linealidad o no linealidad. Además, el voltaje de reposo al final de la carga, el voltaje al final de la descarga y cómo cambian durante el ciclo, y además, la eficiencia coulombic.

Resúmenes técnicos: ¿Qué significa capacidad de descarga?

Tanim: Si estás usando la batería, le estás quitando energía, eso es lo que llamamos descarga. Una de las medidas de capacidad son los amperios-hora.

Resúmenes técnicos: ¿Qué hay del desvanecimiento de la capacidad?

Tanim: Una batería nueva tiene cierta capacidad, digamos un amperio-hora. Con el ciclismo, esa capacidad va a disminuir. El desvanecimiento de la capacidad (o energía) es el porcentaje de disminución. En casos normales, la tendencia decreciente será bastante lineal, particularmente en los ciclos iniciales. Pero con el revestimiento de litio, la tendencia es muy no lineal:una mayor tasa de desvanecimiento al principio y menos desvanecimiento después.

El recubrimiento de litio puede ocurrir bajo diferentes condiciones. Además de la carga rápida, puede ocurrir si carga una batería a una temperatura bajo cero o si hay problemas de desequilibrio relacionados con el envejecimiento en la batería. Es posible que las firmas no sean igualmente sensibles para todas esas condiciones de recubrimiento. Entonces, identificamos las firmas más sensibles para la carga rápida y luego las usamos para desarrollar nuestro algoritmo de aprendizaje automático.

Resúmenes técnicos : ¿Cuáles son las firmas que usaste?

Tanim: Descubrimos que las firmas más sensibles para la carga rápida eran las tendencias en cómo se desvanecía la capacidad de la celda, de forma lineal o no lineal, el voltaje de reposo al final de la carga y la eficiencia culómbica.

También descubrimos que dos firmas prominentes que otros informaron, dQ/dV y dV/dt, no eran muy sensibles en condiciones de carga rápida, a menos que hubiera situaciones de enchapado muy agresivas.

Resúmenes técnicos: ¿Puedes explicar la eficiencia coulombiana?

Tanim: La eficiencia culómbica es la relación porcentual de la capacidad de descarga dividida por la capacidad de carga.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo se mide el desvanecimiento de la capacidad?

Tanim: Tienes que hacer algunas pruebas. En una escala de laboratorio, cuando ciclamos la batería, podemos elegir un ciclo particular para medir su capacidad de carga o descarga. A partir de la corriente y la hora, podemos calcular la capacidad en amperios-hora. Ahora, si repite el mismo proceso a medida que la batería se degrada, puede encontrar la capacidad en un estado antiguo y, a partir de ahí, puede calcular el porcentaje de desvanecimiento (el desvanecimiento de la capacidad con respecto al estado nuevo).

Resúmenes técnicos: ¿Has experimentado con diferentes protocolos de carga?

Tanim: Para evitar el recubrimiento de litio, puede modificar el diseño de la batería de diferentes maneras:puede cambiar los materiales, puede cambiar el diseño de los electrodos o varios otros aspectos del diseño de la batería, como el electrolito.

También puede cambiar las condiciones de funcionamiento o los perfiles de carga. Por ejemplo, puede probar diferentes protocolos de carga y compararlos con una línea de base. Por ejemplo, en lugar de corriente constante/voltaje constante, puede probar varios pasos u otros protocolos de carga. Y también puedes cambiar la temperatura.

Nuestro método para detectar el revestimiento de litio será aplicable independientemente de cualquier cambio de diseño o protocolos de carga.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo ve que se está implementando esto?

Tanim: Hay dos escenarios en los que este método hará una valiosa contribución. El primero es para uso de los científicos de investigación en un laboratorio. Este método nos dirá más rápidamente si bajo las condiciones de operación dadas, el recubrimiento de litio está ocurriendo o no, no tenemos que abrir una celda ni hacer ningún otro análisis posterior a la prueba. Solo la firma electroquímica nos dirá si el recubrimiento de litio está ocurriendo para este diseño y condición de operación en particular. Eso se puede hacer dentro de 10 a 25 ciclos. Nos permite saber si debemos modificar el diseño de las baterías; queremos identificar eso lo antes posible. Luego podemos regresar, reiterar el diseño y rehacer la prueba para ver si nos estamos moviendo en la dirección correcta.

Las firmas electroquímicas, con algunas modificaciones y verificaciones adicionales, también se pueden implementar en un sistema de gestión de baterías a bordo de un vehículo eléctrico, así como en aplicaciones estacionarias donde se utilizan baterías de iones de litio. Los OEM o fabricantes de baterías ya recopilan la mayoría de estas firmas. Utilizándolos como referencia, podemos, tal vez no en un ciclo de vida temprano, tal vez unos años más adelante, alertar al usuario de que, aunque la batería estaba bien al principio de su vida útil, algo ha cambiado y el revestimiento de litio ha comenzado a suceder. "Dado que ahora hay revestimiento de litio, esta es una advertencia temprana de que debe hacer algo con la batería".

Resúmenes técnicos: ¿Podría aventurar una conjetura sobre cuándo podría comercializarse esto?

Tanim: Tenemos una patente provisional sobre esto y estamos trabajando para presentar la patente completa muy pronto. También estamos buscando oportunidades de colaboración para desarrollarlo aún más y estamos viendo mucho interés por parte de empresas privadas. Además, el DOE tiene un fondo de comercialización de tecnología en el que podemos colaborar con otras industrias privadas y mejorarlo aún más y demostrarlo para aplicaciones integradas, pero no quiero darle ninguna suposición en particular.

Una versión editada de esta entrevista apareció en la edición de diciembre de 2021 de Tech Briefs.