Los investigadores de WMG en la Universidad de Warwick han desarrollado un nuevo prueba precisa de las temperaturas internas de las baterías de iones de litio y los potenciales de sus electrodos y descubrió que las baterías se pueden cargar de forma segura hasta cinco veces más rápido que los límites de carga recomendados actualmente. La nueva tecnología funciona in situ durante el funcionamiento normal de una batería sin obstaculizar su rendimiento y ha sido probada con baterías estándar disponibles en el mercado. Esta nueva tecnología permitirá avances en la ciencia de los materiales de las baterías, tasas de carga de batería flexibles, ingeniería térmica y eléctrica de nuevos materiales / tecnología de baterías y tiene el potencial de ayudar al diseño de sistemas de almacenamiento de energía para aplicaciones de alto rendimiento, como carreras de autos y balanceo de redes.

Si una batería se sobrecalienta, corre el riesgo de sufrir daños graves, especialmente en su electrolito, e incluso puede provocar situaciones peligrosas en las que el electrolito se descompone para formar gases que son inflamables y provocan una acumulación significativa de presión. La sobrecarga del ánodo puede conducir a una galvanización de litio tanto que forma dendritas metálicas y eventualmente perfora el separador causando un cortocircuito interno con el cátodo y una falla catastrófica subsecuente.

Para evitar esto, Los fabricantes estipulan una velocidad o intensidad de carga máxima para las baterías en función de lo que creen que son la temperatura crucial y los niveles potenciales que deben evitarse. Sin embargo, hasta ahora, las pruebas de temperatura interna (y la obtención de datos sobre el potencial de cada electrodo) en una batería han demostrado ser imposibles o imprácticas sin afectar significativamente el rendimiento de las baterías.

Los fabricantes han tenido que depender de un instrumentación externa. Obviamente, este método no puede proporcionar lecturas precisas, lo que ha llevado a los fabricantes a asignar límites muy conservadores en la velocidad o intensidad de carga máxima para garantizar que la batería no se dañe o, en el peor de los casos, sufra una falla catastrófica.

Sin embargo, los investigadores de WMG en la Universidad de Warwick han estado desarrollando una nueva gama de métodos que permiten Monitoreo de alta precisión de temperatura interna y estado "por electrodo" de baterías de iones de litio de varios formatos y destinos. Estos métodos se pueden utilizar durante el funcionamiento normal de una batería sin afectar su rendimiento y se han probado en baterías de tipo automotriz disponibles comercialmente. Los datos adquiridos por tales métodos son mucho más precisos que la detección externa y el WMG ha podido determinar que las baterías de litio disponibles comercialmente disponibles en la actualidad podrían cargarse al menos cinco veces más rápido que las tasas de carga máximas recomendadas actualmente.

Los investigadores de WMG han publicado su investigación este mes (febrero de 2018) en Electrochimica Acta en un artículo titulado "Comprensión de los límites de la carga rápida utilizando celdas de iones de litio de alta energía 18650 comerciales instrumentadas".

Dr. Tazdin Amietszajew, el investigador de WMG que dirigió esta investigación, dijo, "Esto podría traer enormes beneficios a áreas como el automovilismo, que obtendrían beneficios obvios al poder superar los límites de rendimiento, pero también crea enormes oportunidades para los consumidores y los proveedores de almacenamiento de energía. La carga más rápida, como siempre, se produce a expensas de la duración total de la batería, pero muchos consumidores agradecerían la capacidad de cargar la batería de un vehículo rápidamente cuando se requieren tiempos de viaje cortos y luego cambiar a períodos de carga estándar en otros momentos. Tener esa flexibilidad en las estrategias de carga podría ayudar a los consumidores a beneficiarse de los incentivos financieros de las compañías eléctricas que buscan equilibrar el suministro de la red utilizando vehículos conectados a la red.

"Esta tecnología está lista para aplicarse ahora a las baterías comerciales, pero tendríamos que asegurarnos de que los sistemas de gestión de baterías en los vehículos, y que la infraestructura que se está instalando para vehículos eléctricos, son capaces de adaptarse a tasas de carga variables que incluirían estos nuevos perfiles / límites ajustados con mayor precisión ".

The technology the WMG researchers have developed for this new direct in-situ battery sensing employs miniature reference electrodes and Fibre Bragg Gratings (FBG) threaded through bespoke strain protection layer. An outer skin of fluorinated ethylene propylene (FEP) was applied over the fibre, adding chemical protection from the corrosive electrolyte. The result is a device that can have direct contact with all the key parts of the battery and withstand electrical, chemical and mechanical stress inflicted during the batteries operation while still enabling precise temperature and potential readings.

WMG Associate Professor Dr. Rohit Bhagat who was also one researchers on the paper said, "This method gave us a novel instrumentation design for use on commercial 18650 cells that minimises the adverse and previously unavoidable alterations to the cell geometry. The device included an in-situ reference electrode coupled with an optical fibre temperature sensor. We are confident that similar techniques can also be developed for use in pouch cells."

"Our research group in WMG has been working on a number of technological solutions to this problem and this is just the first that we have brought to publication. We hope to publish our work on other innovative approaches to this challenge within the next year."