Todas las baterías están constituidas por cuatro componentes fundamentales: dos electrodos, el ánodo (positivo) y el cátodo (negativo), un electrolito entre ellos y un separador que evita que ambos entren en contacto directo entre sí provocando un cortocircuito. Para alimentar el sistema eléctrico, los iones de litio se desplazan del ánodo al cátodo. De manera inversa, cuando se carga una batería de litio, los iones viajan por el electrolito del cátodo al ánodo.
Generalmente, en las baterías de litio la estructura de los materiales del ánodo cambia a medida que los iones de litio fluyen hacia él durante la carga o lo abandonan y se depositan en el cátodo durante la descarga. Estos cambios estructurales son la razón por la que la capacidad de la batería se degrada con el tiempo.
La deposición de litio es un fenómeno que puede ocurrir en las baterías de iones de litio durante la carga rápida. Los iones de litio se acumulan en la superficie del electrodo negativo de la batería en lugar de intercalarse en él, formando una capa de litio metálico que continúa creciendo. Esto puede dañar la batería, acortar su vida útil y provocar cortocircuitos que desemboquen en incendios y explosiones.
La investigación ha sido realizada por un equipo de la Universidad Queen Mary de Londres en colaboración con un equipo internacional de investigadores del Reino Unido y EE.UU. Ha sido liderado por el Dr. Xuekun Lu, autor del artículo que fue publicado en la revista Nature Communications.
Lu explica que el revestimiento de litio se puede mitigar significativamente, optimizando la microestructura del electrodo negativo de grafito. Está formado por pequeñas partículas distribuidas aleatoriamente. Ajustar la morfología de las partículas y los electrodos para lograr una actividad de reacción homogénea y una saturación de litio local reducida es la clave para suprimir el revestimiento de litio y mejorar el rendimiento de la batería.
"Nuestra investigación ha revelado que los mecanismos de litiación de las partículas de grafito varían en distintas condiciones, dependiendo de la morfología, el tamaño, la forma y la orientación de su superficie. Esto afecta en gran medida a la distribución del litio y la propensión al recubrimiento del mismo", dice en un comunicado el Dr. Lu. "Con la ayuda de un modelo de batería 3D pionero, podemos capturar cuándo y dónde se inicia el recubrimiento de litio y qué tan rápido crece. Este es un avance significativo que podría tener un impacto importante en el futuro de los vehículos eléctricos".
El estudio proporciona nuevos conocimientos sobre el desarrollo de protocolos avanzados de carga rápida al mejorar la comprensión de los procesos físicos de redistribución del litio dentro de las partículas de grafito durante la carga rápida. Este conocimiento podría conducir a un proceso de carga eficiente y, al mismo tiempo, minimizar el riesgo del revestimiento de litio.
Además de tiempos de carga más rápidos, el estudio también encontró que refinar la microestructura del electrodo de grafito puede mejorar la densidad de energía de la batería. Esto significa que los coches eléctricos podrían aumentar su autonomía con cada carga. Estos hallazgos suponen un gran avance en el desarrollo de baterías para coches eléctricos, dando lugar a vehículos con mayor potencia de recarga, más duraderos y más seguros, lo que los convertiría en una opción más atractiva para los consumidores.
