Investigadores de SLAC y Stanford revitalizan las baterías reviviendo el litio «muerto»

Los investigadores del Laboratorio de Aceleración Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford pueden haber encontrado una manera de revitalizar las baterías de litio recargables, aumentando potencialmente la autonomía de los vehículos eléctricos y la vida útil de las baterías en los dispositivos electrónicos de nueva generación.

A medida que las baterías de litio realizan un ciclo, acumulan pequeñas islas de litio inactivo que se separan de los electrodos, lo que disminuye la capacidad de la batería para almacenar carga. Pero el equipo de investigación descubrió que podían arrastrar ese litio «muerto» como un gusano a uno de los electrodos hasta que se reconecta, revirtiendo parcialmente el proceso no deseado.

Cuando una isla de metal de litio inactivado viaja al ánodo o electrodo negativo de una batería y se vuelve a conectar, vuelve a la vida, llevando electrones al flujo de corriente de la batería e iones de litio para almacenar la carga hasta que se necesite. La isla se mueve agregando litio metálico en un extremo (azul) y disolviéndolo en el otro extremo (rojo). Los investigadores de SLAC y Stanford descubrieron que podían estimular el crecimiento de las islas en la dirección del ánodo agregando un breve paso de descarga de alta corriente justo después de que se carga la batería. La reconexión de la isla al ánodo ha aumentado la vida útil de su celda de prueba de iones de litio en casi un 30%. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Agregar este paso adicional ralentizó la degradación de su batería de prueba y aumentó su vida útil en casi un 30%. Un estudio sobre el trabajo se publica en La naturaleza.

Ahora estamos explorando la recuperación potencial de la capacidad perdida en las baterías de iones de litio mediante un paso de descarga extremadamente rápido.

—Fang Liu, becario postdoctoral de Stanford, autor principal

Mucha investigación tiene como objetivo encontrar formas de fabricar baterías recargables que sean más livianas, con una vida útil más larga, mayor seguridad y velocidades de carga más rápidas que la tecnología de iones de litio que se usa actualmente en teléfonos celulares, computadoras portátiles y vehículos eléctricos. Se hace especial hincapié en el desarrollo de baterías de metal de litio, que podrían almacenar más energía por volumen o por peso. Por ejemplo, en los automóviles eléctricos, estas baterías de próxima generación podrían aumentar el kilometraje por carga y posiblemente ocupar menos espacio en el maletero.

Ambos tipos de baterías utilizan iones de litio cargados positivamente que se desplazan entre los electrodos. Con el tiempo, parte del litio metálico se vuelve electroquímicamente inactivo, formando islas aisladas de litio que ya no se conectan a los electrodos. Esto da como resultado una pérdida de capacidad y es un problema particular para la tecnología de metal de litio y para la carga rápida de baterías de iones de litio.

Sin embargo, en el nuevo estudio, los investigadores han demostrado que pueden movilizar y recuperar litio aislado para prolongar la vida útil de la batería.

Siempre he pensado que el litio aislado era malo porque hace que las baterías se degraden e incluso las quemen. Pero hemos descubierto cómo reconectar eléctricamente este litio «muerto» con el electrodo negativo para reactivarlo.

—Yi Cui, profesor de Stanford y SLAC e investigador del Instituto de Stanford para la Investigación de Materiales y Energía (SIMES) que dirigió la investigación

La idea del estudio surgió cuando Cui planteó la hipótesis de que aplicar voltaje al cátodo y al ánodo de una batería podría mover físicamente una isla aislada de litio entre los electrodos, un proceso que su equipo ha confirmado ahora con sus experiencias.

Los científicos hicieron una celda óptica con un cátodo de óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC), un ánodo de litio y una isla de litio aislada en el medio. Este dispositivo de prueba les permitió seguir en tiempo real lo que sucede dentro de una batería durante su uso.

Descubrieron que la aislada isla de litio no estaba «muerta» en absoluto, sino que respondía a las operaciones de la batería. Mientras se cargaba la celda, el islote se movía lentamente hacia el cátodo; al descargar, se arrastró en la dirección opuesta.

Es como un gusano muy lento que avanza su cabeza hacia adelante y tira de su cola para moverse nanómetro a nanómetro. En este caso, se transporta disolviéndose en un extremo y depositando material en el otro extremo. Si podemos mantener el gusano de litio en movimiento, eventualmente golpeará el ánodo y restablecerá la conexión eléctrica.

—Yi Cui

Los resultados, que los científicos validaron con otras baterías de prueba y mediante simulaciones por computadora, también demuestran cómo el litio aislado podría recuperarse en una batería real cambiando el protocolo de carga.

Hemos descubierto que podemos mover el litio suelto hacia el ánodo durante la descarga, y estos movimientos son más rápidos bajo corrientes más altas. Así que agregamos un paso rápido de descarga de alta corriente justo después de cargar la batería, que movió el litio aislado lo suficiente como para volver a conectarlo al ánodo. Esto reactiva el litio para que pueda participar en la duración de la batería. Nuestros hallazgos también tienen amplias implicaciones para el diseño y desarrollo de baterías de metal de litio más robustas.

—Fang Liu

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, la Oficina de Tecnologías de Vehículos en el marco de los programas Battery Materials Research (BMR), Battery 500 Consortium y eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Li-ion Batteries (XCEL).

Recursos

• Liu, F., Xu, R., Wu, Y. et al. (2021) “Progresión espacial dinámica del litio aislado durante el funcionamiento de la batería”. La naturaleza 600, 659-663doi: 10.1038 / s41586-021-04168-w