Por qué las baterías de litio se estropean con la carga rápida

Descubierto el motivo que hace complicada la carga rápida de las baterías de litio y que causa que tarden tanto tiempo en cargarse

Una nueva investigación del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) del Laboratorio Nacional Argonne ha revelado un comportamiento químico de los terminales de grafito de de las baterías de litio cuando se cargan y se descargan, que explica las razones que hacen disminuir el rendimiento de las baterías en carga rápida en los vehículos eléctricos.

Las baterías de iones de litio contienen un cátodo con carga positiva y un ánodo con carga negativa, que están separados por un material llamado electrolito que mueve los iones de litio entre ellos y así genera una corriente eléctrica. El ánodo de estas baterías suele estar hecho de grafito, el mismo material que se encuentra en muchos lápices.

Sin embargo, en las baterías de iones de litio, el grafito está formado por pequeñas partículas. Dentro de estas partículas, los iones de litio pueden insertarse en un proceso llamado intercalación. Cuando la intercalación se produce correctamente, la batería puede cargarse y descargarse con éxito. Pero cuando una batería se carga demasiado rápido, la intercalación es deficiente. En lugar de introducirse sin problemas en el grafito, los iones de litio tienden a acumularse en la superficie del ánodo, lo que provoca un efecto de «chapado» que puede causar daños en la batería.

El revestimiento, causa del deterioro por la carga rápida

Uno de los autores del estudio, Daniel Abraham, explicó que el revestimiento es una de las principales causas del deterioro del rendimiento de la batería durante la carga rápida. Al cargar la batería rápidamente, descubrieron que, además del chapado en la superficie del ánodo, había una acumulación de productos de reacción dentro de los poros del electrodo. Como resultado, el propio ánodo sufre cierto grado de expansión irreversible, lo que perjudica el rendimiento de la batería.

Mediante una técnica de microscopía llamada nanodifracción de electrones de barrido, Abraham y sus colegas de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, observaron otro cambio notable en las partículas de grafito. A nivel atómico, la red de átomos de grafito en los bordes de las partículas se distorsiona debido a la repetida carga rápida, lo que dificulta el proceso de intercalación.

«Básicamente, lo que se observa es que la red atómica del grafito se deforma, y esto impide que los iones de litio entren en el interior de las partículas. En vez de eso, se encajan entre las partículas», dijo Abraham.

El informe también indicó que cuanto más rápido se cargue la batería, más desordenado estará el ánodo desde el punto de vista atómico, lo que impedirá que los iones de litio puedan moverse de un lado a otro. La solución es encontrar una forma de evitar esta pérdida de organización o de modificar de algún modo las partículas de grafito para que los iones de litio puedan intercalarse con mayor eficacia.

REFERENCIA

Increased Disorder at Graphite Particle Edges Revealed by Multi-length Scale Characterization of Anodes from Fast-Charged Lithium-Ion Cells