Análisis detallado de los iones de litio para mejorar las baterías de los vehículos eléctricos
La mayoría de los VE funcionan con baterías de iones de litio que tienen una de las mayores densidades de energía de todas las tecnologías de baterías actuales. Sin embargo, a medida que más propietarios de coches de gasolina empiecen a utilizar VE, aumentará la demanda de mayor autonomía y tiempos de carga más rápidos, lo cual impulsará la necesidad de nuevos y mejores materiales para las baterías. Los óxidos laminares avanzados de litio ricos en níquel se encuentran entre los materiales para baterías más prometedores y, en la actualidad, se utilizan ampliamente en los VE de lujo. Entender sus mecanismos de funcionamiento, y especialmente el transporte de iones de litio, resulta esencial para mejorar su rendimiento electroquímico. Sin embargo, hasta la fecha, estos mecanismos no se comprenden del todo. Las investigaciones que contaron con el apoyo de los proyectos SOLARX, MULTILAT y BATNMR, financiados con fondos europeos, han demostrado que, a diferencia de lo que se creía hasta ahora, el almacenamiento de iones de litio en los materiales de las baterías a través de partículas activas individuales dista mucho de ser uniforme. De hecho, el equipo del proyecto descubrió que el movimiento irregular de los iones de litio en un material catódico de nueva generación basado en óxido de manganeso y cobalto (NMC, por sus siglas en inglés) rico en níquel podría estar reduciendo la capacidad de las baterías y obstaculizando su rendimiento. El estudio se ha publicado en la revista «Joule».
Técnicas esenciales en tiempo real
Mediante la microscopía óptica de dispersión operando y la modelización difusiva, los investigadores rastrearon las interacciones de la luz con las partículas activas durante el funcionamiento de la batería. Observaron claras diferencias en el almacenamiento de litio durante el ciclo de carga-descarga en las partículas de NMC. Tal como afirma Alice Merryweather, estudiante de doctorado y coautora principal, de la Universidad de Cambridge, entidad anfitriona de los proyectos SOLARX, MULTILAT y BATNMR, en una noticia publicada en el sitio web de la universidad: «Es la primera vez que se observa directamente en partículas individuales esta falta de uniformidad en el almacenamiento de litio. Las técnicas en tiempo real como la nuestra son esenciales para captar este fenómeno mientras la batería está en ciclo». Como se informa en la noticia, la mencionada falta de uniformidad en el almacenamiento de litio se ha atribuido a los cambios drásticos que experimenta la tasa de difusión de iones de litio en materiales de NMC durante el ciclo de carga-descarga. Los iones de litio se difunden lentamente en partículas de NMC completamente litiadas, pero cuando se eliminan algunos iones de litio de las partículas, la difusión aumenta con rapidez. La rápida difusión observada en el momento de la deslitiación —al principio de la carga— da lugar a partículas activas con superficies deficientes en litio y núcleos ricos en litio. En cambio, la lenta difusión de iones en las partículas de NMC completamente litiadas —cerca del final de la descarga de la batería— da lugar a partículas con superficies ricas en litio y núcleos pobres en este elemento. «Nuestro modelo predijo con exactitud las distribuciones de litio y captó el grado de heterogeneidad observado en los experimentos —señala el doctor Shrinidhi Pandurangi, coautor principal, también de la Universidad de Cambridge—. Estas predicciones son fundamentales para entender otros mecanismos de degradación de las baterías, como la fractura de partículas». La heterogeneidad del litio al final de la descarga proporciona una explicación de por qué los cátodos ricos en níquel pierden alrededor del 10 % de su capacidad tras el primer ciclo de carga-descarga. «Esto es importante, teniendo en cuenta que una de las normas industriales indica que, cuando una batería ha perdido el 20 % de su capacidad, debe retirarse», observa el doctor Chao Xu, coautor principal de la Universidad ShanghaiTech (China), que participó en el estudio mientras estaba radicado en Cambridge. Los conocimientos obtenidos en el marco del estudio apoyado por SOLARX (Photon Management for Solar Energy Harvesting with Hybrid Excitonics), MULTILAT (Multi-phase Lattice Materials) y BATNMR (Development and Application of New NMR Methods for Studying Interphases and Interfaces in Batteries) abren el camino a nuevos métodos para superar las pérdidas de capacidad y aumentar la vida útil de los materiales de las baterías de alto rendimiento. Para más información, consulte: Proyecto SOLARX Página web del proyecto MULTILAT Proyecto BATNMR
Palabras clave
SOLARX, MULTILAT, BATNMR, vehículo eléctrico, VE, batería, iones de litio, óxido de manganeso y cobalto rico en níquel
