Los científicos han mejorado el rendimiento eléctrico de las baterías de iones de litio en condiciones de frío extremo utilizando un nuevo ánodo fabricado con un material rugoso a base de carbono.
Si tiene un automóvil eléctrico y conduce en climas fríos, probablemente sea consciente de la reducción del rendimiento y la autonomía cuando las temperaturas descienden por debajo del punto de congelación. Incluso si vives en un lugar cálido, es posible que hayas visto el mismo efecto en tu teléfono celular en un viaje de esquí, notando que tu porcentaje de carga cae rápidamente a pesar de un uso mínimo.
Afortunadamente, los científicos están trabajando arduamente para mejorar la tecnología de las baterías, buscando aumentar la capacidad, acelerar la carga, mejorar la resistencia, mejorar la seguridad y, sí, mejorar el rendimiento en temperaturas muy frías.
Cuando las temperaturas descienden por debajo de cero, los teléfonos móviles necesitan cargarse con frecuencia y los coches eléctricos tienen una autonomía más corta. Esto se debe a que los ánodos de sus baterías de iones de litio se vuelven lentos, retienen menos carga y consumen energía rápidamente. Para mejorar el rendimiento eléctrico en condiciones de frío extremo, los investigadores informan en Ciencias básicas de AEC han reemplazado el ánodo de grafito tradicional en una batería de iones de litio con un material irregular a base de carbono, que mantiene su capacidad de almacenamiento recargable hasta -31 °F (-35 °C).
Como sugiere el nombre, una batería de iones de litio es un tipo de batería recargable en la que los iones de litio se mueven desde el electrodo negativo a través de un electrolito hasta el electrodo positivo durante la descarga y regresan durante la carga.
Las baterías de iones de litio son ideales para alimentar dispositivos electrónicos recargables porque pueden almacenar mucha energía y tener una larga vida útil. Pero cuando las temperaturas descienden por debajo del punto de congelación, el rendimiento eléctrico de estas fuentes de energía disminuye, y cuando las condiciones son lo suficientemente frías, es posible que no transfieran la carga. Esta es la razón por la cual algunas personas que viven en el medio oeste de Estados Unidos tienen problemas con sus autos eléctricos en pleno invierno, y por qué es arriesgado usar estas baterías en la exploración espacial.
Recientemente, los científicos determinaron que la orientación plana del grafito en el ánodo era responsable de la disminución de la capacidad de almacenamiento de energía de una batería de iones de litio cuando estaba fría. Por lo tanto, Xi Wang, Jiannian Yao y sus colegas querían modificar la estructura de la superficie de un material a base de carbono para mejorar el proceso de transferencia de carga del ánodo.
Para crear el nuevo material, los investigadores calentaron una estructura de imidazolato de zeolita que contenía cobalto (conocida como ZIF-67) a altas temperaturas. Las nanoesferas de carbono de 12 lados resultantes tenían superficies irregulares que demostraban una excelente capacidad de transferencia de carga eléctrica. A continuación, el equipo probó el rendimiento eléctrico del material como ánodo, con metal de litio como cátodo, dentro de una batería con forma de moneda. El ánodo demostró carga y descarga estables a temperaturas de 77 °F a -4 °F (25 °C a -20 °C) y mantuvo el 85,9 % de la capacidad de almacenamiento de energía a temperatura ambiente justo por debajo de cero.
En comparación, las baterías de iones de litio fabricadas con otros ánodos a base de carbono, incluidos los nanotubos de grafito y carbono, casi no tenían carga en temperaturas bajo cero. Lorsque les chercheurs ont fait chuter la température de l’air à -31 °F (-35 °C), l’anode constituée de nanosphères cahoteuses était encore rechargeable et, pendant la décharge, libérait près de 100 % de la charge mise dans la batería. Según los investigadores, la incorporación de nanoesferas irregulares en las baterías de iones de litio podría abrir la posibilidad de utilizar estas fuentes de energía a temperaturas extremadamente bajas.
Referencia: «La superficie riemanniana en el ánodo de carbono permite el almacenamiento de iones de litio a -35 °C» por Zongjing Lu, Jingnan Wang, Xuechun Cheng, Weiwei Xie, Zhiyi Gao, Xuejing Zhang, Yong Xu, Ding Yi, Yijun Yang, Xi Wang y Jiannian Yao, 8 de junio de 2022, 10.1021/acscentsci.2c00411.
DOI: 10.1021/accentsci.2c00411
Los autores agradecen la financiación del Fondo de Investigación Básica para 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 Universidad Jiaotong de Pekín.