A pesar de que los avances tecnológicos en la química de las baterías de litio y en los sistema de recarga de los vehículos eléctricos han logrado aumentar la velocidad de recarga, no es posible mantener esta alta potencia durante mucho tiempo por lo que continua siendo un proceso lento durante muchas fases. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne perteneciente al Departamento de Energía de Estados Unidos ha descubierto las razones por las que ocurre esto y proponen una serie de acciones para solucionarlo. Durante el proceso de carga y descarga, una serie de comportamientos químicos en uno de los terminales que forman la batería dificulta que esta pueda cargarse rápidamente.
El laboratorio Argonne ha trabajado junto a un equipo de científicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign para poder emplear una técnica llamada nanodifracción electrónica de barrido. Gracias a ella, es posible observar lo que sucede durante el proceso de intercalación dentro del ánodo, el electrodo de la batería cargado negativamente. Este proceso ocurre cuando los iones de litio que viajan a través del electrolito, el material que se encuentra entre ambos electrodos, se insertan en el grafito, que es el material con el que habitualmente se crea la estructura del ánodo.
Cuando este proceso ocurre correctamente, la batería puede cargarse y descargarse sin complicaciones. Sin embargo, el proceso de intercalación depende de la velocidad de recarga. Si una batería se carga demasiado rápido, la intercalación puede verse interrumpida por varias reacciones químicas que pueden dañar significativamente el rendimiento de la batería.
Intercalación de iones de litio (en verde) en un ánodo de grafito. Esta investigación ha detectado algunas de las reacciones químicas que se producen durante este proceso y que explican por qué las baterías tardan en cargarse.
Una de estas reacciones disruptivas es la que provoca un efecto que los investigadores han llamado "enchapado", que se produce cuando los iones de litio se acumulan en la parte superior de la superficie del ánodo, tal y como explica, Daniel Abraham, científico e investigador del Laboratorio de Argonne. Este proceso puede dañar irreparablemente la batería: "el enchapado es una de las principales causas del deterioro del rendimiento de su rendimiento durante la carga rápida".
Los científicos también observaron que la recarga rápida también provoca una acumulación de materiales dentro de los poros del electrodo, lo que conduce a que el ánodo expanda su volumen y, en última instancia, el rendimiento de la batería se vea reducido. Otro proceso dañino que se observó durante estos trabajos es un cambio a nivel atómico en las partículas de grafito del ánodo. La red de átomos de grafito situada en los bordes de las partículas se distorsiona debido a la carga rápida repetida, lo que dificulta el proceso de intercalación, añade Abraham. "Básicamente, lo que vemos es que la red atómica en el grafito se deforma, y esto evita que los iones de litio encuentren su lugar".
Conclusiones y soluciones
La investigación muestra que, para mantener sus condiciones de rendimiento, las baterías de iones de litio deben recargarse lentamente. "Cuanto más rápido se carga una batería, más desordenado atómicamente se volverá el ánodo, lo que finalmente evitará que los iones de litio puedan moverse hacia adelante y hacia atrás", explica Abraham.
Para resolver este problema, los científicos deben jugar con la química del ánodo y el material utilizado para crear su estructura, para lograr un proceso de intercalación suave. "La clave es encontrar la manera de prevenir que se cree esta desorganización modificando de alguna manera las partículas de grafito para que los iones de litio puedan intercalarse de manera más eficiente".
