Uno de los grandes retos de la industria ante el coche eléctrico es afrontar la degradación que sufren las baterías de iones de litio encargadas de almacenar la energía. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge ha descubierto el motivo por el que una batería pierde efectividad a lo largo de su vida útil. El descubrimiento permitirá aumentar la vida útil y el rendimiento de las baterías dotadas de esta tecnología.
La investigación llevada a cabo por la Universidad británica desacredita los estudios publicados hasta ahora sobre el movimiento de los iones de litio dentro de la batería que hasta ahora habían considerado que se almacenan de manera uniforme en las partículas activas individuales del material. Esta investigación desvela que su almacenamiento es variable y depende del estado del ciclo de descarga.
La pieza clave de la degradación
Más específicamente, a través del microscopio, el equipo rastreó cómo la luz interactúa con las partículas activas durante el funcionamiento de la batería de litio con un cátodo de óxido de cobalto y manganeso (NMC) rico en níquel, es decir, una batería ternaria habitual de las que se emplean regularmente hoy en día en múltiples vehículos eléctricos. Esta técnica les permitió observar las diferencias en el almacenamiento de litio durante el ciclo de carga y descarga.
"Esta es la primera vez que se observa directamente esta falta de uniformidad en el almacenamiento de litio en partículas individuales", señaló Alice Merryweather, una de las investigadoras del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge. "Las técnicas en tiempo real, como la nuestra, son esenciales para capturar este efecto mientras la batería está en pleno ciclo de carga y descarga".
Combinando las observaciones experimentales con modelos informáticos, los investigadores descubrieron que la falta de uniformidad del litio se origina por los cambios drásticos en la tasa de difusión de iones de litio en el cátodo NMC durante el ciclo de carga y descarga. Específicamente, los iones de litio se difunden lentamente en las partículas NMC completamente litiadas, un proceso que mejora significativamente una vez que se extraen algunos iones de litio de estas partículas, aseguran los investigadores.
Además, la heterogeneidad del litio observada al final de la descarga establece una de las razones por las que los materiales catódicos ricos en níquel suelen perder alrededor del 10 % de su capacidad después del primer ciclo de carga y descarga.
Este hallazgo es significativo, ya que el estándar industrial utilizado para determinar si una batería debe retirarse o no de un vehículo eléctrico sitúa el límite de degradación en una pérdida del 20 % de su capacidad, señaló Chao Xu, científico de la Universidad ShanghaiTech que ha apoyado la investigación mientras trabajaba en Cambridge.
El diseño de las futuras baterías de litio
El equipo realizó sus observaciones con la ayuda de un modelo capaz de predecir con precisión las distribuciones de litio. También capturó el grado de heterogeneidad observado en los experimentos, señaló Shrinidhi Pandurangi, otro miembro del equipo de investigación del Departamento de Ingeniería de Cambridge. "Nuestro modelo proporciona información sobre el rango en el que varía la difusión de iones de litio en las partículas NMC durante las primeras etapas de carga", añade.
Cuando la batería está cerca del final del ciclo de descarga, las superficies de las partículas activas se saturan de litio, mientras que sus núcleos presentan una deficiencia de este material. Esta difusión de litio da como resultado la pérdida de litio reutilizable y la reducción de la capacidad. "Estas predicciones son clave para comprender otros mecanismos de degradación de la batería, como la fractura de partículas", dijo Pandurangi. Este hallazgo podría ayudar a desarrollar futuras baterías en las que se pueda garantizar una menor pérdida de capacidad y, por lo tanto, una mayor eficiencia.
La investigación y sus resultados ha sido publicada en la revista Joule. Según sus autores, estos estudios pueden ser particularmente útiles en el desarrollo de futuras baterías para vehículos eléctricos. De hecho, el uso de cátodos NMC es la elección más habitual en la mayoría de los vehículos eléctricos que se ofrecen hoy en día en el mercado, a pesar de que los científicos no entienden completamente cómo está relacionado el rendimiento de la batería con el transporte de litio dentro del cátodo.
Tras descubrir la clave del proceso de degradación, el equipo de investigación de Cambridge está buscando ahora nuevos enfoques para aumentar la densidad de energía y aumentar la vida útil de las baterías de litio
