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Nuevas baterías de iones de litio mejoradas que duran más en frío extremo
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 vive en un lugar cálido, es posible que haya visto el mismo efecto en su teléfono celular durante un viaje de esquí, descubriendo que su porcentaje de carga disminuye 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, aumentar la seguridad y, sí, mejorar el rendimiento en temperaturas muy frías.
Cuando las temperaturas caen por debajo del punto de congelación, los teléfonos celulares deben recargarse con frecuencia y los autos eléctricos tienen rangos de manejo más cortos. 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 el frío extremo, los investigadores que informan en ACS Central Science 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 ºC).
Como su nombre lo indica, 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 excelentes para alimentar dispositivos electrónicos recargables porque pueden almacenar mucha energía y tienen una vida útil prolongada. Pero cuando las temperaturas caen por debajo del punto de congelación, el rendimiento eléctrico de estas fuentes de energía disminuye, y cuando las condiciones son lo suficientemente frías, pueden no transferir ninguna carga. Es por eso que algunas personas que viven en el medio oeste de los EE. UU. tienen problemas con sus autos eléctricos en pleno invierno, y por qué es arriesgado usar estas baterías en las exploraciones espaciales.
Recientemente, los científicos determinaron que la orientación plana del grafito en el ánodo es responsable de la caída en la capacidad de almacenamiento de energía de una batería de iones de litio en el frío. Entonces, 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 un marco de imidazolato de zeolita que contenía cobalto (conocido 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. Luego, 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 del punto de congelación.
¿Cómo funcionan las baterías?
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 a temperaturas bajo cero. Cuando los investigadores bajaron la temperatura del aire a -31 °F (-35 °C), el ánodo hecho con nanoesferas irregulares aún era recargable y, durante la descarga, liberó casi el 100 % de la carga de la batería. La incorporación del material irregular de la nanoesfera en las baterías de iones de litio podría abrir las posibilidades de utilizar estas fuentes de energía a temperaturas extremadamente bajas, dicen los investigadores.
