Cambio importante en los coches eléctricos: unos investigadores han conseguido mejorar las cargas de baterías en frío en un 500%

La recarga de los coches eléctricos sigue siendo uno de los principales quebraderos de cabeza del sector. Las cargas rápidas acortan tiempos, pero son dañinas para las baterías. Además, hay un factor que incluso en estas es un lastre: el problema con las temperaturas frías. Éstas hacen que el proceso se ralentice, pero unos investigadores han conseguido mejorar su rendimiento en estas condiciones en un 500%.

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Michigan ha desarrollado un proceso de manufactura ligeramente modificado respecto al que usan actualmente los fabricantes que podría tener consecuencias muy positivas.

Lo primero es plantear cuál es el problema actual de las baterías cuando se enfrentan a temperaturas muy bajas.

El funcionamiento de las pilas de los vehículos eléctricos, por el que almacenan y liberan energía, se basa en el movimiento de iones de litio, de ida y de vuelta, entre electrodos moviéndose gracias a un electrolito líquido. Cuando la batería está sometida a temperaturas frías, el movimiento se ralentiza y, como consecuencia, se reducen tanto la potencia de la batería como la velocidad de carga. 

Para intentar solventar dicho problema y mejorar el rango de acción, los fabricantes de coches han optado por aumentar el grosor de los electrodos que se utilizan en las celdas de la batería. ¿Qué consecuencias tiene esto?

La positiva es que ha permitido prometer aumentar el alcance, la negativa es que este formato hace que sea difícil acceder a parte del litio, así que la carga más lenta y, además, se almacena una cantidad de energía inferior en un batería de un tamaño y peso determinados.

De esta manera, para intentar solucionar un problema, en realidad de manera colateral se está provocando otro. Ahí es donde entra el equipo de investigadores de la Universidad de Michigan.

Ya habían estado trabajando en este campo, consiguiendo buenos resultados en la capacidad de carga de las baterías.

Crearon vías de unos 40 micrones de tamaño en el ánodo, lo que permitía que el electrodo que recibiese iones de litio durante la carga. Al perforar el grafito utilizando disparos con láseres, los iones de litio encontraban lugares donde alojarse más rápidamente, consiguiendo una recarga más uniforme.

Eso sí, solo conseguía una mejora de la carga a temperatura ambiente, pero cuando era en frío el proceso seguía sin ser eficiente. Ese es precisamente el problema que acaban de solucionar.

El inconveniente está en la capa química que se forma en la superficie del electrodo al reaccionar con el electrolito. Si se intenta realizar una carga rápida a través de esa capa, el metal de litio se acumulará en el ánodo de manera similar a como se comportaría un atasco.

Manoj Jangid, investigador principal de ingeniería mecánica de la U-M y coautor del estudio, señala: “Ese recubrimiento impide que se cargue todo el electrodo, lo que reduce una vez más la capacidad energética de la batería”.

Así pues, buscaron la manera de evitar que se creara. Para ello recubrieron la batería con un material vítreo hecho de borato-carbonato de litio, con un espesor de unos 20 nanómetros. Esto aceleró la carga en frío y, al combinarlo con los canales descubiertos con anterioridad, logró una mejora sobresaliente. 

Tae Cho, doctorado, licenciado en ingeniería mecánica y también autor del estudio, explica: “Gracias a la sinergia entre las arquitecturas 3D y la interfaz artificial, este trabajo puede abordar simultáneamente el trilema de la carga rápida a baja temperatura para la conducción de largo alcance”.

Las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos fabricadas siguiendo este formato consiguen aumentar su velocidad de recarga hasta el un 500% incluso a temperaturas de -10 °C.

Según los investigadores, la nueva estructura y el recubrimiento creado por el equipo consiguen evitar la formación de una capa de litio que es la que afecta de manera negativa al rendimiento en los electrodos de la batería. El resultado es que las baterías con estas modificaciones conservan el 97% de su capacidad.

Neil Dasgupta, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Michigan y autor del estudio, explica: “Consideramos este enfoque como algo que los fabricantes de baterías de vehículos eléctricos podrían adoptar sin realizar grandes cambios en las fábricas existentes”.

“Por primera vez, hemos demostrado una vía para lograr simultáneamente una carga extremadamente rápida a bajas temperaturas, sin sacrificar la densidad energética de la batería de iones de litio”, añade.

“Cargar la batería de un vehículo eléctrico tarda entre 30 y 40 minutos, incluso con una carga rápida agresiva, y ese tiempo aumenta a más de una hora en invierno. Este es el problema que queremos abordar”, concluye.

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