Una investigación del Laboratorio Nacional Argonne perteneciente al Departamento de Energía de EE.UU (DOE) ha descubierto que puede multiplicar por dos la velocidad de recarga de las baterías de litio mediante un mecanismo de fotoexcitación. Durante el proceso de carga, la exposición a la luz blanca de los cátodos de óxido de litio manganeso de las celdas de una batería de litio reduce el tiempo de carga de la batería sin reducir su rendimiento ni degradar su vida útil.
La Oficina de Tecnologías de Vehículos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE identifica la carga rápida como uno de los desafíos críticos para acelerar la adopción masiva de vehículos eléctricos. Su objetivo es que el tiempo de recarga no exceda los 15 minutos. Hasta ahora, las investigaciones que han tratado de aumentar la velocidad de carga de las baterías no lo han logrado sin pérdidas en la densidad de energía y en el rendimiento electroquímico.
Nature Communications publica un documento de acceso abierto en el que el equipo explica con detalle el trabajo realizado. "Aquí mostramos que la velocidad de carga de un cátodo se puede aumentar a través de la interacción con la luz blanca". Las baterías actuales de iones de litio tienen los electrodos alojados en una "caja oscura". La tecnología de Argonne emplea un contenedor transparente que permite que la luz ilumine los electrodos de la batería durante la carga. Según explica el equipo de investigadores, "una exposición directa la luz durante la carga de un cátodo de LiMn2O4 (óxido de litio manganeso-OVM) reduce el tiempo de carga de la batería a la mitad o incluso a menos".
a) Celda de batería de iones de litio fotoacelerada. La celda consta de una ventana transparente, un colector de corriente, un cátodo, un electrolito, un separador y un ánodo. La luz blanca de banda ancha se usa con un filtro IR para evitar el calentamiento no deseado de la celda. b) Vista ampliada del cátodo compuesto de óxido de litio manganeso (OVM) que consiste en un aglutinante de teflón partículas de carbono conductoras como diluyente y polvo de óxido activo.
Para probar el proceso de carga, el equipo de investigación creó un prototipo de celda de iones de litio con cátodo OVM dotada de una ventana de cuarzo transparente. Las mismas celdas se cargaron con y sin exposición a luz blanca con el objetivo de medir la velocidad a la que recuperaban la energía. La clave del proceso químico es la interacción de la luz con el óxido de litio, un material semiconductor que se sabe que interactúa con la luz.
Durante la carga, el manganeso del cátodo OVM absorbe los fotones en la luz cambiando su estado de carga de trivalente a tetravalente (Mn 3+ a Mn 4+). La respuesta a este cambio químico es que los iones de litio se expulsan más rápido del cátodo, lo que no ocurre sin el proceso de excitación de fotones, acelerando la velocidad de carga de la batería. Además, el equipo ha verificado que esta aceleración en la reacción química no reduce el rendimiento ni degrada la vida útil de la batería.
"Este descubrimiento es el primero que fusiona las tecnologías de luz y de la batería, y supone un buen augurio para el futuro de los conceptos innovadores de recarga", asegura Christopher Johnson, autor principal de la publicación.
La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE y se realizó, en parte, en el Centro de Materiales a Nanoescala, una instalación de la Oficina de Ciencia de la Secretaría de Energía de los Estados Unidos.
