A las baterías de iones de litio no solo se les exige que sean capaces de mantener los estándares de seguridad, resistir largos ciclos de carga y descarga con la mínima degradación, además de la máxima densidad de energía posible. También es necesario que soporten las temperaturas de funcionamiento en climas extremos, como puede ser con frío extremo. En este caso, las baterías se cargan más lentas y reducen su capacidad energética, porque la consumen rápidamente, lo que se traduce en largos tiempos de espera para lograr autonomías inferiores. Un equipo de investigadores ha publicado en ACS Central Science sus trabajos relacionados con este problema, que se basan en reemplazar el ánodo de grafito convencional de las baterías de litio por uno construido a base de un material con una superficie irregular a base de carbono, que mantiene la capacidad de almacenamiento hasta -35 ºC.
Las temperaturas por debajo de cero provocan en las baterías efectos muy negativos. Se reduce significativamente su capacidad de almacenamiento lo que supone una reducción de la autonomía, ralentizan la carga, exigiendo mayores tiempos de espera a los conductores. En condiciones muy extremas de bajas temperaturas, las baterías de litio pueden no ser capaces de transferir ninguna carga.
Los fabricantes trabajan para evitar este efecto perjudicial diseñando sistemas de gestión térmica complejos que tratan de calentar el habitáculo de la batería para que esta funcione siempre en su rango de temperaturas óptimo. Estos sistemas requieren sensores de temperatura y otros equipos que ocupan espacio y aumentan el peso de los coches eléctricos, además de necesitar energía para funcionar que, inevitablemente, ha de salir de la batería. También requieren complejos algoritmos de cálculo que sean capaces de detectar los cambios en la temperatura y regular con precisión el estado del contenedor de la batería.
Por eso, los investigadores también están trabajando para presentar soluciones ingeniosas a este problema no basadas en sistemas que reduzcan la energía disponible en la propia batería. Uno de ellos, presentado el año pasado, exploraba como se podían tener en cuenta las bajas temperaturas en el diseño de las baterías. Los científicos determinaron que la orientación plana del grafito del ánodo, es decir, su superficie extraordinariamente regular, es la responsable de la caída en la capacidad de almacenamiento de energía de una batería de iones de litio que trabaja en condiciones de intenso frío.
Con este estudio de base, un grupo de científicos chinos encabezados por Xi Wang y Jiannian Yao trabajaron para modificar la estructura de la superficie del ánodo empleando un material a base de carbono que mejoraba el proceso de transferencia de las cargas. En una batería, el cátodo está formado por diferentes materiales químicos como el níquel, el cobalto, el manganeso o el aluminio y el ánodo suele ser de grafito, que forma una estructura compleja sobre la que se depositan los iones de litio que viajan por electrolito que separa los dos electrodos.
A partir de esas investigaciones recientes que sugieren que la naturaleza plana de estos ánodos contribuye a la reducción de la capacidad de la batería a la hora de transferir las cargas cuando la temperatura ambiente es muy fría, el equipo comenzó a experimentar con algunos materiales alternativos hasta alcanzar una solución muy prometedora.
El nuevo ánodo se fabrica a base de un material conocido como marco de imidazolato de zeolita que contiene cobalto (ZIF-67), que se calentó a altas temperaturas para crear nanoesferas de carbono de 12 lados. Estas diminutas estructuras cuentan con superficies irregulares que tienen excelentes capacidades de transferencia de carga eléctrica. Estas esferas se dispusieron para trabajar como material de ánodo en una batería con forma de moneda, con un cátodo de metal de litio.
Los experimentos en laboratorio demostraron que la batería podía mantener la estabilidad cuando se cargaba y descargaba a temperaturas que oscilaban entre los 25 °C (77 °F) y los -20 °C (-4 °F). Con temperaturas justo por debajo del punto de congelación, la batería mantuvo el 85,9 % de su capacidad de almacenamiento. Estas pruebas se llevaron a cabo paralelamente con otros diseños de baterías de iones de litio con ánodos convencionales de grafito, y también con nanotubos de grafito y carbono. En estas baterías, el resultado fue que prácticamente no recuperaban la carga a temperaturas bajo cero.
Cuando los investigadores bajaron la temperatura a -35 ºC (-31°F), el ánodo de nanoesferas irregulares todavía mantenía su capacidad de recarga y durante la descarga liberaba casi el 100 % de la energía de la batería. La incorporación del material irregular de las nanoesfersa en las baterías de iones de litio sugiere que un diseño basado en esta tipología de materiales podría extender la funcionalidad de las baterías de iones de litio a entornos extremos.
La investigación ha sido financiada con Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (China), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de China, el Proyecto de Ciencia y Tecnología de la Provincia de Guangdong, el Laboratorio de Química e Ingeniería Química de Guangdong, y la Universidad Jiaotong de Beijing.
