Cuando los iones de litio se fuerzan rápidamente a través de una batería, pueden atascarse y convertirse en metal de litio, que ya no puede moverse a través de la batería.

Imagine poder repostar su coche eléctrico mientras se detiene para tomar un refrigerio rápido o recargar su teléfono mientras se cepilla los dientes.

"La carga rápida es una especie de Santo Grial. Es lo que todos los que poseen un dispositivo basado en una batería de iones de litio quieren poder hacer", dice el ingeniero sénior David Wragg del Centro de Ciencia de Materiales y Nanotecnología de la Universidad de Oslo.

Sin embargo, dentro de la batería hay mucha química complicada que puede ser sensible a la rapidez con la que se carga. Las cosas pueden salir mal.

"La pérdida de capacidad es la más crítica", dice Wragg a Titan.uio.no.

"Es posible fabricar baterías con una capacidad muy alta que le permitan conducir su automóvil eléctrico 1000 km, pero después de haberlo cargado y descargado varias veces, perdería aproximadamente la mitad de esa capacidad y autonomía.

Todas las baterías recargables se deterioran con el tiempo, pero este efecto negativo es más fuerte cuando la batería se carga rápidamente. Wragg es uno de los investigadores detrás de un estudio que muestra por qué.

Han podido comprobar que los iones de litio, tan importantes para la capacidad de una batería, se convierten en litio metálico puro y ya no sirven. Y lo más importante:este efecto se mejora enormemente con la carga rápida.

La batería es como una mecedora

En un lado de la batería está el ánodo y en el otro lado está el cátodo. Ambos electrodos pueden almacenar electrones e iones. Entre ellos hay un separador y un electrolito líquido que ayuda a los iones de un lado a otro.

Los iones y electrones se mueven de un lado a otro de la batería cuando usas la corriente almacenada allí y regresan cuando la recargas.

"A esto lo llaman el mecanismo de la mecedora, en el que mueves los hierros y los electrones de un lado al otro".

"Cuando están frescas y funcionan perfectamente, las baterías pueden almacenar una cierta cantidad de iones, y esa es la capacidad total del sistema", dice Wragg.

Cuando los iones, que solían moverse de un lado a otro, se convierten en metal, ya no pueden moverse a través de la batería. Los iones están cargados y pueden ser atraídos de un lado a otro. Los átomos de metal son neutros y no pueden ser tentados en ninguna dirección.

"Una vez que el litio se convierte en metal, ya no es realmente accesible para la reacción electroquímica. Esta capacidad se pierde por completo", dice Wragg.

Esto sucede en todas las baterías recargables de iones de litio cuando las ha cargado las suficientes veces. Pero, ¿por qué empeora cuando cargas rápido?

Cuellos de botella durante la carga rápida

Durante la carga rápida, la misma cantidad de iones se mueve a través del sistema, pero mucho más rápido. Todos los iones deben encontrar su lugar en el ánodo en un tiempo mucho más corto.

"Cuando cargas al doble de velocidad, tienes que mover la misma cantidad de iones y electrones en la mitad de tiempo", dice Wragg.

Si carga cuatro o seis veces más rápido, naturalmente será aún más difícil.

"Es difícil porque hay ciertos límites en la química que se produce cuando intentas poner iones de litio en un material de electrodo sólido muy rápido", dice Wragg.

Los ánodos, que reciben iones durante la carga, están hechos de grafito, que está formado por finas capas de carbono. El ánodo consta de varios millones de capas de este tipo.

"El grafito vacío es como una baraja de cartas y los iones de litio son como pequeñas bolas que se empujan hacia los espacios entre las cartas. El problema es que se pueden producir cuellos de botella al intentar empujar los iones de litio entre las capas del grafito.

"Sigues empujando iones, pero a menos que los iones que ya están entre las capas puedan penetrar más profundamente en la pila, no hay espacio para que entren nuevos iones. Cuando carga la batería muy rápido, el litio no se propaga por todo el electrodo de grafito en absoluto. Simplemente se atasca cerca del electrolito, donde se separan el ánodo y el cátodo".

Es especialmente aquí, en estos cuellos de botella, donde los iones cargados se convierten en átomos neutros y se acumulan en diminutos trozos de metal. Los iones no se mueven más, al mismo tiempo que se aplica energía. Este exceso de energía puede ser lo que cambia un ion en un átomo neutro y estable.

"Se llama recubrimiento de litio. Es cuando los iones de litio, en lugar de permanecer en la forma iónica, se convierten en metal de litio. Esto se sabe desde hace mucho tiempo, pero nunca antes se había observado en una batería en funcionamiento", dijo Wragg. dice.

Esto, sin embargo, Wragg y sus colegas han logrado hacer. Usando rayos X, escanearon las baterías cada 25 milisegundos, una y otra vez mientras se cargaban rápidamente a diferentes velocidades. Esto les dio enormes cantidades de datos sobre lo que está sucediendo hasta el nivel atómico.

"De hecho, pudimos ver cómo se acumulaba el revestimiento de litio. Durante la carga rápida, pudimos ver que la cantidad de litio aumentaba muy rápido. Nuestra teoría es que tiene algo que ver con este cuello de botella de iones de litio. Vemos muchos iones de litio cerca de el separador y aquí también es donde vemos el revestimiento de litio", dice Wragg.

"Lo más probable es que estos iones de litio se acumulen y ya no puedan llegar al grafito. Se atascan allí y hay mucho calor, se les pone mucha energía, por lo que se reducen. al litio metálico".

Vieron cómo las capas de grafito más cercanas al otro electrodo eran muy ricas en litio, mientras que más adentro casi no había litio. Empeoraba cuanto más rápido cargaban.

"Cuanto más rápido lo presione, más rápido se produce el recubrimiento", dice Wragg.

El futuro:¿nanotubos y grafeno?

El estudio no es de ninguna manera el final de la carga rápida. Simplemente significa que los investigadores deben encontrar nuevas y mejores soluciones.

"La clave de esto es que las personas que fabrican baterías intenten encontrar formas de mejorar el transporte de litio para que cuando se cargue rápido, haya más posibilidades de que el litio llegue a todo el ánodo de grafito. dice Wragg.

Investigadores de todo el mundo están buscando nuevos materiales y métodos que puedan hacer que las baterías soporten mejor la carga rápida.

"Por ejemplo, hay mucha gente que usa nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono son lo que obtienes si tomas una de las tarjetas y la enrollas en un tubo. Es como un grafito que se ha formado en tubos en lugar de un poco plano. "

Wragg y sus colegas de la Universidad de Oslo están trabajando con grafeno, láminas individuales de grafito, en el ánodo.

"El grafito se conoce desde hace cientos de años. El grafeno y los nanotubos de carbono se conocen desde hace unos 30 años, por lo que lleva tiempo".

Hasta el momento, ninguna de estas innovaciones ha aparecido en baterías comerciales.

"Pero sucederá, sin duda", dice Wragg.