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El Laboratorio Nacional de Argonne crea baterías de iones de litio que funcionan con frío

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Investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne creen tener una solución para las baterías de iones de litio que funcionan mal en frío.

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Quienes viven en climas fríos y conducen coches eléctricos saben que las baterías de iones de litio de sus vehículos no funcionan tan bien a temperaturas bajo cero. No se cargan tan rápido y no llegan tan lejos. Es un problema, pero el Laboratorio Nacional de Argonne dice que puede tener la respuesta.

En una entrada de blog, los científicos de Argonne afirman que en las baterías de iones de litio actuales, el electrolito líquido que sirve de vía para que los iones viajen entre el cátodo y el ánodo cuando la batería se carga y descarga empieza a congelarse a temperaturas bajo cero. Esta condición limita gravemente la eficacia de la carga de vehículos eléctricos en regiones y estaciones frías.

El Laboratorio Nacional de Argonne podría tener la respuesta

Un equipo de científicos de los laboratorios nacionales Argonne y Lawrence Berkeley ha colaborado en el desarrollo de un electrolito fluorado que funciona bien incluso a temperaturas bajo cero. "Nuestra investigación demostró así cómo adaptar la estructura atómica de los disolventes electrolíticos para diseñar nuevos electrolitos para temperaturas bajo cero", afirma John Zhang, que dirige el grupo de investigación del Laboratorio Nacional Argonne.

"Nuestro equipo no sólo encontró un electrolito anticongelante cuyo rendimiento de carga no disminuye a menos 4 grados Fahrenheit, sino que también descubrimos, a nivel atómico, lo que lo hace tan eficaz", dijo Zhang, que es químico senior y jefe de grupo en la división de Ciencias Químicas e Ingeniería de Argonne. Este electrolito de baja temperatura es prometedor para las baterías de los vehículos eléctricos, así como para el almacenamiento de energía en redes eléctricas y aparatos electrónicos de consumo, como ordenadores y teléfonos".

Cómo funcionan las baterías de iones de litio

No hace falta saber cómo funciona una batería para conducir un coche eléctrico, igual que no hace falta saber cómo funciona un motor de cuatro tiempos para conducir un coche convencional. Probablemente, la mayoría de nosotros tiene poco más que un conocimiento rudimentario del funcionamiento de las baterías de iones de litio. El laboratorio Argonne explica que el electrolito utilizado en la mayoría de las baterías de iones de litio actuales es una mezcla de una sal ampliamente disponible - hexafluorofosfato de litio - y disolventes carbonatados como el carbonato de etileno. Los disolventes disuelven la sal y forman un líquido.

Cuando se carga una batería, el electrolito líquido transporta iones de litio desde el cátodo, que suele ser un óxido que contiene litio, hasta el ánodo, que suele ser de grafito. Estos iones salen del cátodo y atraviesan el electrolito hasta llegar al ánodo. Mientras son transportados a través del electrolito, se sitúan en el centro de grupos de cuatro o cinco moléculas de disolvente.

Durante las primeras cargas, estos grupos golpean la superficie del ánodo y forman una capa protectora denominada interfase sólido-electrolito. Una vez formada, esta capa actúa como un filtro. Permite que sólo los iones de litio atraviesen la capa mientras bloquea las moléculas de disolvente. Esto es lo que permite al ánodo almacenar átomos de litio en la estructura del grafito cuando la batería está cargada. Durante la fase de descarga, las reacciones electroquímicas liberan electrones del litio para generar electricidad que luego se utiliza para propulsar vehículos eléctricos.

Por qué baja el rendimiento con el frío

Cuando baja la temperatura, el electrolito con disolventes de carbonato empieza a congelarse. Esto, a su vez, hace que pierda su capacidad de transportar iones de litio al ánodo durante la carga, ya que los iones de litio están muy ligados a los grupos de disolventes. Por tanto, esos iones necesitan mucha más energía para evacuar sus cúmulos y penetrar en la capa de interfase que a temperatura ambiente. Los científicos creían que la solución al bajo rendimiento en frío era encontrar un disolvente mejor que no se congelara.

El equipo investigó varios disolventes infundidos con flúor y pudo identificar el que presentaba la barrera energética más baja para liberar los iones de litio de los cúmulos a temperatura bajo cero. También determinaron a escala atómica por qué esa composición concreta funcionaba tan bien: dependía de la posición de los átomos de flúor dentro de cada molécula de disolvente y de su número.

En las pruebas realizadas con células de laboratorio, el electrolito fluorado mantuvo estable su capacidad de almacenamiento de energía durante 400 ciclos de carga y descarga a menos 4 grados Fahrenheit. Incluso a esa temperatura, la capacidad de la batería era equivalente a la de una célula con un electrolito convencional a base de carbonatos a temperatura ambiente. "Nuestra investigación demostró así cómo adaptar la estructura atómica de los disolventes electrolíticos para diseñar nuevos electrolitos para temperaturas bajo cero", afirmó Zhang.

El electrolito anticongelante también tiene una ventaja importante. Es mucho más seguro que los electrolitos basados en carbonatos que se utilizan actualmente, ya que no se incendia. "Estamos patentando nuestro electrolito más seguro y de baja temperatura, y ahora buscamos un socio industrial que lo adapte a uno de sus diseños de baterías de iones de litio", explica Zhang.

Los compañeros científicos de Zhang en Argonne son Dong-Joo Yoo, Qian Liu y Minkyu Kim. Los autores de Berkeley Lab son Orion Cohen y Kristin Persson. El trabajo ha sido financiado por la Oficina de Tecnologías de Vehículos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables del DOE.

Profundizando en los detalles

La investigación se explica con exquisito detalle en la revista Advanced Energy Materials. No soy científico ni he hecho nunca de tal en la televisión. Menos mal, porque la prosa turgente de la mayoría de los escritos científicos hace que se me nublen los ojos. Si le interesa saber más sobre esta investigación, le animo a que siga el enlace anterior y se quede boquiabierto. El artículo de investigación tiene el pegadizo título de "Diseño racional de electrolitos fluorados para baterías de iones de litio de baja temperatura"

Muchos de los lectores de CleanTechnica son bastante entendidos en lo que se refiere a cosas que funcionan con electricidad y sé que muchos de vosotros queréis saber si este nuevo electrolito tiene algún inconveniente negativo a temperatura ambiente o si reduce la vida útil de la batería, dos cosas que podrían impedir que los fabricantes de baterías se interesaran por esta nueva tecnología. He aquí un extracto de la investigación que puede responder a algunas de esas preocupaciones.

"La ciclabilidad a largo plazo a altas tasas de C y bajas temperaturas se considera uno de los aspectos más difíciles de las baterías de iones de litio. Para demostrar la superioridad de nuestros electrolitos, hemos realizado pruebas de ciclado a largo plazo en diversas condiciones.

"Cuando se aplicó una corriente de 2 C a 25 °C, el electrolito de acetato de etilo con flúor decayó gradualmente hasta una retención de capacidad del 73% tras 400 ciclos, mientras que el electrolito de acetato de etilo con aditivo LiDFOB mostró la mejor retención de capacidad, del 91%, tras 400 ciclos. Esta tendencia se mantiene a una corriente elevada adicional de 6 C.

"Mientras que Gen 2 se degradó rápidamente hasta el 34% en 50 ciclos, el electrolito con aditivo LiDFOB mostró la mejor retención de capacidad, del 85%, incluso después de 500 ciclos. Cuando se aplicó una corriente de C/3 a -20 °C, los electrolitos Gen 2 y de acetato de etilo mostraron una grave degradación de la capacidad, correspondiente a un 7,5% y un 34% de retención de la capacidad tras 300 ciclos, respectivamente.

"En marcado contraste, el electrolito de acetato de etilo con flúor con aditivo LiDFOB mostró una pérdida de capacidad insignificante y retuvo un 97% de capacidad incluso después de 300 ciclos. Además, en todas las condiciones de ensayo, las eficiencias coulómbicas del electrolito EA-f con aditivo LiDFOB fueron superiores a las de los demás electrolitos. Este resultado de la prueba de ciclos revela la estabilidad superior de nuestro electrolito para operaciones de carga rápida y baja temperatura."

Para llevar

Los motores de combustión interna de hoy en día comparten pocas características con los motores de hace 100 años, salvo la premisa básica del motor de cuatro tiempos que puede reducirse a sus fundamentos con esta frase: Chupar, Empujar, Pum, Soplar. Hoy en día, la tecnología de las baterías avanza rápidamente gracias a miles de investigadores de todo el mundo como el Dr. Zhang y sus colegas del Laboratorio Nacional Argonne.

El bajo rendimiento en climas fríos es un problema que debe resolverse antes de que la revolución de los vehículos eléctricos pueda considerarse completa. Hay muchas cosas que no sabemos sobre las baterías de iones de litio con electrolitos fluorados, empezando por cómo afectará la presencia de flúor a la fabricación y el reciclado de las baterías de iones de litio.

Después de todo, el flúor es una potente sustancia química que daña la capa de ozono cuando llega a la atmósfera. Además, las diferentes químicas de las baterías, como el litio-hierro-fosfato, parecen verse menos afectadas por las bajas temperaturas que las baterías de NMC, más comunes. Quién sabe cómo se comportarán las baterías de sodio o azufre en el mundo real una vez que salgan de los laboratorios y entren en la producción comercial,

Lo único de lo que podemos estar relativamente seguros es de que las baterías que se utilicen dentro de una década serán tan diferentes de las actuales como los transistores lo son de los tubos de vacío. La revolución de los vehículos eléctricos no ha hecho más que empezar. Estamos impacientes por ver lo que vendrá después.