Durante muchos años, las baterías de iones de litio han sido la solución ideal para almacenar energía para los dispositivos móviles y los vehículos eléctricos. Sin embargo, la ciencia ha estado buscando una alternativa mejor, más barata, más liviana y más eficiente. Una de las respuestas puede encontrarse en las baterías de metal-litio (LMB).
Esta tecnología tiene el potencial de duplicar la capacidad de las baterías de vehículos eléctricos duplicando su autonomía. Además, esta innovación podría mejorar la seguridad y reducir significativamente el precio de compra. Pero hay un importante desafío a superar antes de que se puedan convertir en una realidad: la batería pierde rápidamente su capacidad de almacenar energía después de relativamente pocos ciclos de carga y descarga.
Baterías de iones de litio frente a metal-litio
En lugar de utilizar grafito como ánodo, las baterías LMB emplean una fina capa de litio metálico. Junto con un cátodo de alta energía y un electrolito estable, estas baterías ofrecen el potencial de almacenar el doble de energía que las baterías de iones de litio, ocupando el mismo espacio. Además, el ánodo de litio metálico es más ligero que el de grafito, lo que resulta crucial para los vehículos eléctricos ya que se eleva de manera significativa la densidad energética.
Un coche equipado con estas baterías podría alcanzar los 1.000 km de autonomía por carga. Con estas cifras sería mucho más viable económica y técnicamente, la disposición de una red de recarga que eliminase por completo la ansiedad por la autonomía de los conductores.
Sin embargo, estas baterías se enfrentan a la formación de dendritas, unos crecimientos filiformes que se forman entre los electrodos durante la carga y descarga. Estos filamentos consumen el electrolito, reducen el rendimiento, acortan la vida útil y, en casos extremos, pueden causar cortocircuitos.
Cuando la batería se descarga, pequeñas partículas de litio metálico (del tamaño de una micra) se aíslan y quedan atrapadas en la interfaz de electrolito sólido (SEI), una especie de matriz esponjosa que se forma en la unión entre el ánodo y el electrolito. En otras palabras, las dendritas hacen que el litio metálico aislado quede inactivo y, por lo tanto, muerto. La rápida degradación de las baterías LMB las aleja de convertirse en una opción posible.
Es precisamente este desafío el que ha hecho que muchas investigaciones busquen soluciones para mejorar su vida útil. El objetivo es lograr una combinación que ofrezca la mayor autonomía, el menor peso y el coste más reducido, sin comprometer la seguridad. Si se superan estos obstáculos, las baterías LMB podrían revolucionar la industria de los vehículos eléctricos.
La investigación de Stanford da un resultado sorprendente
Los científicos han estado probando diversos materiales y técnicas para mejorar la vida útil de estas baterías. Investigadores de la Universidad de Stanford han encontrado una solución de bajo coste que parece eliminar su mayor hándicap: agotar la batería y dejarla reposar durante varias horas. Este sencillo paso, descrito en un estudio publicado en la revista Nature el pasado 7 de febrero, restableció la capacidad de la batería y mejoró su rendimiento general.
Según Wenbo Zhang, coautor principal del estudio y estudiante de doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales de Stanford, al dejar reposar la batería en estado descargado, se puede recuperar la capacidad perdida y aumentar su ciclo de vida. Estas mejoras se pueden lograr simplemente reprogramando el software de administración, sin costes adicionales ni cambios necesarios en el equipo, los materiales o el flujo de producción.
Los resultados de este estudio podrían proporcionar a los fabricantes de vehículos eléctricos información práctica sobre cómo adaptar la tecnología de metal de litio a las condiciones de conducción del mundo real.
Otro de los coautores del estudio, Yi Cui, profesor fundador de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Fortinet en la Facultad de Ingeniería, también destacó la relevancia de sus resultados: “Las baterías de litio metálico han sido objeto de numerosas investigaciones. Nuestros hallazgos pueden servir como guía para futuros estudios que contribuyan al avance y la adopción generalizada de las baterías de metal de litio en el mercado”.
Dejar reposar la batería ¿para qué?
En investigaciones previas, Philaphon Sayavong, estudiante de doctorado en Química de Stanford, y sus colegas, descubrieron que la matriz SEI comienza a disolverse cuando la batería está inactiva. Basándose en ese hallazgo, el equipo de Stanford decidió explorar qué sucedería si se permitiera que la batería descansara mientras estaba descargada.
El proceso comenzó con una descarga completa de la batería para eliminar todo el litio metálico del ánodo. Como resultado, sólo quedaron piezas inactivas de litio aislado rodeadas por la matriz SEI. A continuación, la batería se dejó inactiva durante un período de tiempo. Durante este reposo, parte de la matriz SEI que rodea el litio inactivo se disolvió. Cuando la batería se recargó, el litio inactivo se volvió a conectar con el ánodo, ya que había menos masa sólida en su camino.
Esta reconexión revitalizó el litio inactivo, permitiendo que la batería generara más energía y extendiera su ciclo de vida. Anteriormente, se creía que esta pérdida de energía era irreversible, pero el estudio demostró que, simplemente dejando reposar la batería descargada, se puede recuperar la capacidad perdida.
Aplicaciones prácticas: reprogramando
En la batería de un vehículo eléctrico medio, se pueden encontrar alrededor de 4.000 celdas de batería organizadas en módulos controlados por un sistema de gestión BMS-Battery Management System) que actúa como el cerebro electrónico que monitorea y controla el rendimiento. En el caso de las baterías de metal de litio, es posible programar el sistema de gestión existente para descargar completamente un módulo individual.
Lo interesante es que este enfoque no requiere la implementación de nuevas técnicas o costosos materiales. Según Zhang, “puede implementar nuestro protocolo tan rápido como sea necesario al escribir el código del sistema de gestión de la batería”. Además, creen que en ciertos tipos de baterías de litio-metal, el simple estado de descarga en reposo puede aumentar significativamente el ciclo de vida de los vehículos eléctricos.
