Los ingenieros han desarrollado nuevas baterías de iones de litio llenas de energía que funcionan bien en temperaturas bajo cero y abrasadoras.
Ingenieros de la Universidad de California, San Diego (UCSD) han desarrollado nuevas baterías de iones de litio que funcionan bien en temperaturas bajo cero y abrasadoras, mientras conservan mucha energía. Según los investigadores, esta hazaña se logró mediante el desarrollo de un electrolito que no solo era versátil y robusto en un amplio rango de temperaturas, sino que también era compatible con ánodos y cátodos de alta energía.
Las baterías resistentes a la temperatura se describen en un artículo publicado la semana del 4 de julio en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).
Las baterías basadas en esta tecnología podrían permitir que los vehículos eléctricos en climas fríos viajen más lejos con una sola carga. También podrían reducir la necesidad de sistemas de enfriamiento para evitar que las baterías de los vehículos se sobrecalienten en climas cálidos, dijo Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería UCSD Jacobs y autor principal del estudio.
“Se necesita un funcionamiento a alta temperatura en áreas donde la temperatura ambiente puede alcanzar los tres dígitos y las carreteras se calientan aún más. En los vehículos eléctricos, las baterías generalmente están debajo del piso cerca de esos caminos calientes”, explicó Chen, quien también es miembro de la facultad en el Centro de Energía y Energía Sostenible de UCSD. “Además, las baterías se calientan simplemente porque la corriente fluye a través de ellas durante el funcionamiento. Si las baterías no pueden soportar este aumento de temperatura, su rendimiento se degradará rápidamente.
El primer autor del estudio, Guorui Cai, investigador postdoctoral en nanoingeniería en UC San Diego, prepara una celda de bolsillo de batería para realizar pruebas a temperatura bajo cero. Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego
En las pruebas, las baterías de prueba de concepto retuvieron el 87,5 % y el 115,9 % de su capacidad energética a -40 y 50 °C (-40 y 122 °F), respectivamente. También tenían altas eficiencias de Coulomb del 98,2 % y 98,7 % a esas temperaturas, respectivamente, lo que significa que las baterías pueden soportar más ciclos de carga y descarga antes de dejar de funcionar.
Las baterías desarrolladas por Chen y sus colegas son resistentes al frío y al calor gracias a su electrolito único. Consiste en una solución líquida de éter dibutílico mezclado con una sal de litio. Una peculiaridad del éter dibutílico es que sus moléculas se unen débilmente a los iones de litio. En otras palabras, las moléculas de electrolito pueden liberar fácilmente iones de litio cuando la batería está funcionando. Esta interacción molecular débil, que los investigadores habían descubierto en un estudio anterior, mejora el rendimiento de la batería a temperaturas bajo cero. Además, el éter dibutílico puede soportar fácilmente el calor porque permanece líquido a altas temperaturas (tiene un punto de ebullición de 141 °C o 286 °F).
Rendimiento a alta temperatura de celdas de batería de bolsillo probadas en un horno calentado a 50 ° C. Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego
Estabilización de químicas de litio-azufre
Otro aspecto especial de este electrolito es que es compatible con una batería de litio-azufre, que es un tipo de batería recargable que tiene un ánodo de metal de litio y un cátodo de azufre. Las baterías de litio-azufre son una parte esencial de las tecnologías de baterías de próxima generación porque prometen mayores densidades de energía y menores costos. Pueden almacenar hasta el doble de energía por kilogramo que las baterías de iones de litio actuales, lo que podría duplicar la autonomía de los vehículos eléctricos sin aumentar el peso de la batería. Además, el azufre es más abundante y menos problemático de encontrar que el cobalto utilizado en los cátodos tradicionales de las baterías de iones de litio.
Pero hay problemas con las baterías de litio-azufre. El cátodo y el ánodo son súper reactivos. Los cátodos de azufre son tan reactivos que se disuelven durante el funcionamiento con batería. Este problema se agrava a altas temperaturas. Y los ánodos de metal de litio tienden a formar estructuras similares a agujas llamadas dendritas que pueden perforar partes de la batería y provocar un cortocircuito. Como resultado, las baterías de litio-azufre solo duran decenas de ciclos.
Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en UC San Diego. Crédito: David Baillot/Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego
«Si desea una batería de alta densidad de energía, generalmente tiene que usar una química muy dura y complicada», dijo Chen. «Alta energía significa que ocurren más reacciones, lo que significa menos estabilidad, más degradación. Fabricar una batería estable de alta energía es una tarea difícil en sí misma. Intentar hacer esto en un amplio rango de temperatura es aún más difícil».
El electrolito de éter dibutílico desarrollado por el equipo de investigación de UCSD evita estos problemas, incluso a temperaturas altas y bajas. Las baterías que probaron tenían una vida útil mucho más larga que una batería de litio-azufre típica. «Nuestro electrolito ayuda a mejorar tanto el lado del cátodo como el del ánodo al tiempo que proporciona una alta conductividad y estabilidad interfacial», dijo Chen.
El equipo también diseñó el cátodo de azufre para que fuera más estable injertándolo en un polímero. Esto evita que se disuelva más azufre en el electrolito.
Los próximos pasos son aumentar la química de la batería, optimizarla para que funcione a temperaturas aún más altas y extender aún más el ciclo de vida.
Referencia: «Criterios de selección de solventes para baterías de litio-azufre resistentes a la temperatura». Los coautores incluyen a Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal y Ping Liu, todos en la Universidad de San Diego. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
Este trabajo fue apoyado por una Beca de Carrera Temprana de la Facultad de[{» attribute=»»>NASA’s Space Technology Research Grants Program (ECF 80NSSC18K1512), the National Science Foundation through the UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, grant DMR-2011924), and the Office of Vehicle Technologies of the U.S. Department of Energy through the Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, contract DE-EE0007764). This work was performed in part at the San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) at UC San Diego, a member of the National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, which is supported by the National Science Foundation (grant ECCS-1542148).