Estas baterías llenas de energía funcionan bien en frío y calor extremos
Tales baterías podrían permitir que los vehículos eléctricos en climas fríos viajen más lejos con una sola carga.
Tales baterías 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 los paquetes de baterías de los vehículos se sobrecalienten en climas cálidos, dijo Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor principal del estudio (imagen simbólica).
Ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado baterías de iones de litio que funcionan bien a temperaturas frías y abrasadoras, al tiempo que contienen mucha energía. Los investigadores lograron esta hazaña mediante el desarrollo de un electrolito que no solo es versátil y robusto en un amplio rango de temperaturas, sino que también es compatible con un ánodo y cátodo de alta energía.
Las baterías resistentes a la temperatura se describen en un artículo publicado la semana del 4 de julio en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Tales baterías 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 los paquetes de baterías de los vehículos se sobrecalienten en climas cálidos, dijo Zheng Chen, profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor principal del estudio.
«Se necesita una operación 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, los paquetes de baterías suelen estar debajo del piso, cerca de estas carreteras calientes», explicó Chen, quien también es miembro de la facultad del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego. «Además, las baterías se calientan solo por tener una corriente durante la operación. Si las baterías no pueden tolerar este calentamiento a alta temperatura, su rendimiento se degradará rápidamente».
En las pruebas, las baterías de prueba de concepto retuvieron el 87,5% y el 115,9% de su capacidad de energía a -40 y 50 C (-40 y 122 F), respectivamente. También tenían altas eficiencias de Coulombic de 98.2% y 98.7% a estas temperaturas, respectivamente, lo que significa que las baterías pueden someterse a más ciclos de carga y descarga antes de que dejen de funcionar.
Las baterías que Chen y sus colegas desarrollaron son tolerantes al frío y al calor gracias a su electrolito. Está hecho de una solución líquida de éter de dibutilo mezclado con una sal de litio. Una característica especial del éter dibutilo es que sus moléculas se unen débilmente a los iones de litio. En otras palabras, las moléculas de electrolito pueden soltar fácilmente los iones de litio a medida que la batería funciona. Esta débil interacción molecular, los investigadores habían descubierto en un estudio anterior, mejora el rendimiento de la batería a temperaturas bajo cero. Además, el éter de dibutilo puede tomar fácilmente el calor porque permanece líquido a altas temperaturas (tiene un punto de ebullición de 141 C o 286 F).
Estabilización de la química litio-azufre
Lo que también es 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 hecho de metal de litio y un cátodo hecho 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 dos veces más energía por kilogramo que las baterías de iones de litio de hoy en día, lo que podría duplicar el alcance de los vehículos eléctricos sin ningún aumento en el peso del paquete de baterías. Además, el azufre es más abundante y menos problemático de obtener que el cobalto utilizado en los cátodos tradicionales de baterías de iones de litio.
Pero hay problemas con las baterías de litio-azufre. Tanto el cátodo como el ánodo son súper reactivos. Los cátodos de azufre son tan reactivos que se disuelven durante el funcionamiento de la batería. Este problema empeora a altas temperaturas. Y los ánodos de metal de litio son propensos a formar estructuras en forma de aguja llamadas dendritas que pueden perforar partes de la batería, lo que hace que se cortocircuite. Como resultado, las baterías de litio-azufre solo duran hasta decenas de ciclos.
«Si desea una batería con alta densidad de energía, generalmente necesita usar una química muy dura y complicada», dijo Chen. «La alta energía significa que están ocurriendo más reacciones, lo que significa menos estabilidad, más degradación. Hacer una batería de alta energía que sea estable es una tarea difícil en sí misma: tratar de hacer esto a través de un amplio rango de temperatura es aún más desafiante».
El electrolito de éter dibutílico desarrollado por el equipo de UC San Diego previene estos problemas, incluso a altas y bajas temperaturas. Las baterías que probaron tenían una vida útil mucho más larga que una batería típica de litio-azufre. «Nuestro electrolito ayuda a mejorar tanto el lado del cátodo como el lado 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 más azufre se disuelva en el electrolito.
Los próximos pasos incluyen ampliar la química de la batería, optimizarla para que funcione a temperaturas aún más altas y extender aún más la vida útil del ciclo.