Las baterías de iones de litio autocalentables se cargan rápidamente incluso a -42 °C y ofrecen 4500 ciclos y 12 años de duración

• Las nuevas baterías autocalentables se pueden cargar en 15 minutos a temperaturas tan bajas como -42 °C. 
• Puede soportar 4500 ciclos de carga con solo un 20 % de pérdida de capacidad. 
• Esto equivale a 12 años de ciclo de vida de la batería o 280 000 millas de vida útil de un vehículo eléctrico.

Entre los grandes fabricantes de automóviles se está librando una apasionante carrera 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 "ultrarápidas" en toda Europa para finales de 2020. Mientras tanto, Honda planea lanzar vehículos eléctricos con capacidad de carga rápida en 15 minutos para 2022.

En mayo de 2018, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció una financiación de 19 millones de dólares para apoyar la investigación avanzada sobre baterías y electrificación para aumentar la potencia de carga a 400 kW.

Los vehículos eléctricos existentes no pueden soportar la carga rápida en condiciones de frío extremo porque aumenta el riesgo de formación de litio metálico alrededor del ánodo durante la carga, lo que provoca un mal funcionamiento de las baterías con el tiempo.

Las baterías de litio tradicionales no se pueden cargar rápidamente por debajo de los 10°C. Cargar estas baterías por debajo del punto de congelación provocaría una pérdida permanente de capacidad y una mayor resistencia interna.

Ahora, investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania han desarrollado una batería que puede autocalentarse, lo que permite una carga rápida sin placas de litio, independientemente de la temperatura exterior.

Estas baterías pueden recargar un vehículo eléctrico en 15 minutos, casi el equivalente a repostar gasolina. Esto podría ser un gran alivio para las personas que viven en estados fríos. Teniendo en cuenta que las estaciones de carga están instaladas de forma generalizada, los propietarios pueden perder la ansiedad por la autonomía del vehículo y recorrer distancias más largas sin preocupaciones.

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

¿Cómo funciona?

La batería de nuevo diseño tiene una fina lámina de níquel cuyo 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 una lámina de níquel cuando la temperatura es inferior a 20 °C.

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

Batería autocalentable | crédito:Chao-Yang Wang / Penn State

Referencia:PNAS | doi:10.1073/pnas.1807115115 | Estado de Pensilvania

La batería hace todo este trabajo por sí sola; no se requiere intervención humana. Además, no es necesario modificar las estaciones de carga existentes. El cambio entre calefacción y carga se realiza dentro de la celda, no en los cargadores.

Pruebas

Los resultados de las pruebas del prototipo fueron más que impresionantes. Los investigadores descubrieron que la batería tiene un ciclo de vida notable equivalente a más de 12 años o 280.000 millas de vida útil de un vehículo eléctrico. En concreto, la batería podría soportar 4500 ciclos de carga rápida (15 minutos) con solo un 20 % de pérdida de capacidad a 0 °C.

Una batería tradicional, por otro lado, podría perder un 20% de su capacidad en sólo 50 ciclos de carga bajo temperaturas bajo cero. 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 los 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 las baterías y mejorar la carga sin necesidad de nuevos materiales o química. Además, ofrece una plataforma para construir materiales de batería más avanzados sin preocuparse por la temperatura.

En cuanto a las aplicaciones, la técnica ayudará a los fabricantes de automóviles a utilizar baterías más pequeñas y ligeras. También habilita una amplia gama de dispositivos electrónicos y dispositivos como robots para exteriores, teléfonos inteligentes para todo clima, drones y microsatélites que operan a gran altura.