Baterías Li-Ion Auto-calentables Cargan Rápidamente Incluso a –42°C, Ofreciendo 4.500 Ciclos y 12 Años de Vida

• Nuevas baterías auto-calentables pueden cargarse en 15 minutos a temperaturas tan bajas como -42°C.
• Pueden soportar 4.500 ciclos de carga con solo 20% de pérdida de capacidad.
• Esto equivale a 12 años de ciclo de vida de batería o 280.000 millas de vida útil de vehículo eléctrico.

Una emocionante carrera está en marcha entre los grandes fabricantes de automóviles para aumentar la potencia y el número de estaciones de carga rápida. En 2017, Daimler, Volkswagen, Ford y BMW formaron una empresa conjunta para construir 400 estaciones de carga "ultarrápidas" en Europa para finales de 2020. Mientras tanto, Honda planea lanzar vehículos eléctricos con capacidad de carga rápida de 15 minutos para 2022.

En mayo de 2018, el Departamento de Energía de Estados Unidos anunció 19 millones de dólares en financiamiento para apoyar la investigación avanzada de baterías y electrificación para aumentar aún más la potencia de carga a 400 kW.

Los vehículos eléctricos existentes no pueden soportar carga rápida en condiciones de frío extremo porque aumenta el riesgo de plateado de litio – formación de litio metálico alrededor del ánodo durante la carga, causando que las baterías fallen con el tiempo.

Las baterías de litio tradicionales no pueden cargarse rápidamente por debajo de 10°C. Cargar estas baterías por debajo del punto de congelación resultaría en una pérdida permanente de capacidad y aumento de la resistencia interna.

Ahora, investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania han desarrollado una batería que puede auto-calentarse, permitiendo carga rápida libre de plateado de litio independientemente de la temperatura exterior.

Estas baterías pueden hacer que los vehículos eléctricos se recarguen en 15 minutos – casi equivalente al repostaje de gasolina. Esto podría ser un gran alivio para personas que viven en estados fríos. Considerando que las estaciones de carga se instalan ampliamente, los propietarios pueden perder su ansiedad por la autonomía del vehículo y recorrer distancias más largas sin preocupaciones.

Anteriormente, los científicos construyeron un sistema de batería en el que no ocurría drenaje de energía por debajo de temperaturas de congelación debido al auto-calentamiento. Ahora, la misma técnica se ha aplicado para hacer que las baterías carguen rápidamente (en 15 minutos) en todas las condiciones climáticas, incluidas temperaturas tan bajas como -42°C.

¿Cómo Funciona?

La batería recién diseñada tiene una delgada lámina de níquel cuyo un extremo va al terminal negativo de la celda, mientras que el otro se extiende hacia afuera, creando un tercer terminal. Para completar el circuito, hay un interruptor conectado a un sensor de temperatura que permite que los electrones fluyan a través de la lámina de níquel cuando la temperatura es menor a 20°C.

El flujo de electrones produce calentamiento por resistencia en la lámina de níquel, lo que finalmente eleva la temperatura interna de la batería. Una vez que la temperatura sube (por encima de 20°C), el interruptor se abre, permitiendo que la corriente eléctrica fluya hacia la batería para carga rápida.

Batería auto-calentable | crédito: Chao-Yang Wang / Penn State

Referencia: PNAS | doi:10.1073/pnas.1807115115 | Penn State

La batería hace todo este trabajo por sí misma; no se requiere intervención humana. Además, las estaciones de carga existentes no tienen que ser alteradas. El cambio entre calentamiento y carga se realiza dentro de la celda, no en los cargadores.

Pruebas

Los resultados de las pruebas de prototipo fueron más que impresionantes. Los investigadores encontraron que la batería tiene una notable vida útil de ciclo equivalente a más de 12 años o 280.000 millas de vida útil de vehículo eléctrico. Específicamente, la batería pudo soportar 4.500 ciclos de carga rápida (15 minutos) con solo 20% de pérdida de capacidad a 0°C.

Una batería tradicional, por otro lado, podría perder 20% de capacidad en solo 50 ciclos de carga bajo temperaturas de congelación. Esto sucede porque el litio metálico (en exceso) se deposita en la superficie del ánodo, en lugar de que los iones de litio se fusionen eficientemente con los ánodos de carbono. Actualmente, la carga lenta es la única forma posible de evitar esto por debajo de 10°C.

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Según los investigadores, su nuevo método proporciona una forma de desacoplar la cinética de carga de la descarga en la ciencia de baterías y mejorar la carga sin requerir nuevo material o química. Además, ofrece una plataforma para construir materiales de baterías más avanzados sin preocupación por la temperatura.

En el lado de aplicaciones, la técnica ayudará a los fabricantes de automóviles a usar baterías más pequeñas y ligeras. También permite una amplia gama de electrónicos y dispositivos como robots de exterior, smartphones para todo clima, drones y micro-satélites que operan a grandes altitudes.