Representación artística de la tecnología de fotoexcitación de Argonne para la recarga rápida de baterías de iones de litio. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han informado de un nuevo mecanismo para acelerar la carga de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Simplemente exponiendo el cátodo a un haz de luz concentrada, por ejemplo, la luz blanca de una lámpara de xenón:reduce el tiempo de carga de la batería en un factor notable de dos o más. Si se comercializa, esta tecnología podría cambiar las reglas del juego para los vehículos eléctricos.
Los propietarios de vehículos eléctricos son muy conscientes de la "ansiedad por el alcance", ya que el nivel de carga es bajo o la ubicación de la estación de carga más cercana parece demasiado distante. La carga rápida sigue siendo un desafío crítico si estos vehículos quieren capturar un gran segmento del mercado del transporte. La carga de un automóvil eléctrico en vacío suele tardar unas ocho horas.
Ahora existen estaciones de sobrealimentación especiales que logran una carga ultrarrápida de vehículos eléctricos al entregar una corriente mucho más alta a la batería. Pasar demasiada corriente en un período de tiempo demasiado corto, sin embargo, degrada el rendimiento de la batería.
Típicamente, Las baterías de iones de litio para vehículos se cargan lentamente para obtener una reacción electroquímica completa. Esta reacción implica eliminar el litio del cátodo de óxido e insertarlo en el ánodo de grafito.
"Queríamos acortar en gran medida esta reacción de carga sin dañar los electrodos por el mayor flujo de corriente resultante, "dijo Christopher Johnson, Argonne Distinguished Fellow y líder de grupo en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas.
Las baterías de iones de litio de hoy funcionan en un estado oscuro, con los electrodos alojados en un estuche. La tecnología fotoasistida de Argonne utilizaría un recipiente transparente que permite que la luz concentrada ilumine los electrodos de la batería durante la carga.
Para probar el proceso de carga, El equipo de investigación creó pequeñas celdas de iones de litio ("celdas tipo moneda") con ventanas de cuarzo transparente. Luego probaron estas células con y sin luz blanca brillando a través de la ventana hacia el cátodo.
"Hicimos la hipótesis de que, durante la carga, la luz blanca interactuaría favorablemente con el material típico del cátodo, y ese resultó ser el caso en nuestras pruebas celulares, Johnson dijo. Ese material del cátodo es un óxido de litio y manganeso, abreviado como LiMn 2 O 4 (OVM).
El ingrediente clave de esta reacción favorable es la interacción de la luz con los OVM, un material semiconductor que se sabe que interactúa con la luz. Mientras absorbe los fotones en la luz durante la carga, el elemento manganeso en el OVM cambia su estado de carga de trivalente a tetravalente (Mn 3+ a Mn 4+ ). En respuesta, Los iones de litio se expulsan del cátodo más rápido de lo que ocurriría sin el proceso de excitación de fotones.
Esta condición acelera la reacción de la batería. El equipo descubrió que la reacción más rápida resultaba en una carga más rápida sin degradar el rendimiento de la batería ni su ciclo de vida. "Nuestras pruebas de celda mostraron una disminución de un factor de dos en el tiempo de carga con la luz encendida, "Dijo Johnson.
El equipo de investigación realizó este trabajo como parte del Centro de Ciencias de la Energía Electroquímica (CEES), un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía del DOE (EFRC) dirigido por Argonne.
"Esta investigación es un gran ejemplo de cómo el objetivo de CEES de comprender los procesos de los electrodos en las baterías de iones de litio está permitiendo avances fundamentales que están influyendo en la tecnología, "dijo Paul Fenter, Director CEES y físico senior de la división de Ingeniería y Ciencias Químicas. "Esto es emblemático de los impactos transformadores que puede lograr el programa EFRC".
Johnson agregó que, "Este hallazgo es el primero de su tipo en el que se fusionan las tecnologías de luz y batería, y esta intersección es un buen augurio para el futuro de los conceptos de carga innovadores para baterías ".
La Oficina de Tecnologías de Vehículos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE ha identificado la carga rápida como un desafío crítico para garantizar la adopción masiva de vehículos eléctricos con un objetivo de 15 minutos. tiempo de recarga, y esta investigación podría ser la clave para hacerlo posible.
Esta investigación apareció en Comunicaciones de la naturaleza , titulado "Carga rápida fotoacelerada de baterías de iones de litio".
