Las baterías pierden capacidad con el tiempo, razón por la cual los teléfonos móviles más antiguos se desgastan más rápidamente. Sin embargo, este fenómeno general no se comprende completamente.
Ahora, un equipo internacional de investigadores dirigido por un ingeniero de la Universidad de Colorado Boulder ha revelado el mecanismo subyacente detrás de dicha degradación de la batería. Su descubrimiento podría ayudar a los científicos a desarrollar mejores baterías, lo que permitiría a los vehículos eléctricos llegar más lejos y durante más tiempo, al mismo tiempo que desarrollarían tecnologías de almacenamiento de energía que acelerarían la transición a energías limpias.
Los hallazgos fueron publicados en la revista el 12 de septiembre. Ciencia.
“Estamos ayudando a avanzar en las baterías de iones de litio al descubrir los procesos a nivel molecular involucrados en su degradación”, dijo Michael Tunney, autor correspondiente del artículo y profesor en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica. “Tener mejores baterías es fundamental para la transición de nuestra infraestructura energética de combustibles fósiles a fuentes de energía más renovables”.
Los ingenieros han estado trabajando durante años para diseñar baterías de iones de litio (el tipo más común de batería recargable) sin cobalto. El cobalto es un mineral raro y caro, y su proceso de extracción se ha relacionado con graves preocupaciones ambientales y de derechos humanos. En la República Democrática del Congo, que suministra más de la mitad del cobalto del mundo, muchos mineros son niños.
Hasta ahora, los científicos han intentado sustituir el cobalto en las baterías de iones de litio por otros elementos como el níquel y el magnesio. Pero estas baterías tienen una tasa de autodescarga aún mayor, que ocurre cuando las reacciones químicas dentro de la batería agotan la energía almacenada y reducen su capacidad con el tiempo. Debido a la autodescarga, la mayoría de las baterías de vehículos eléctricos tienen una vida útil de siete a diez años antes de necesitar ser reemplazadas.
Tony, también miembro del Instituto de Energía Renovable y Sostenible, y su equipo se propusieron investigar ellos mismos la causa de la descarga. En una batería de iones de litio típica, los iones de litio, que transportan cargas, se mueven de un lado de la batería, llamado ánodo, al otro lado, llamado cátodo, a través de un medio llamado electrolito. Durante este proceso, el flujo de estos iones cargados crea una corriente eléctrica que alimenta los dispositivos electrónicos. Cargar la batería invierte el flujo de iones cargados y los devuelve al ánodo.
Anteriormente, los científicos creían que las baterías se autodescargaban porque no todos los iones de litio regresaban al ánodo durante la carga, lo que reducía la cantidad de iones cargados disponibles para crear corriente y suministrar electricidad.
Utilizando una poderosa máquina de rayos X en Advanced Photon Source, una poderosa máquina de rayos X en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. en Illinois, el equipo de investigación descubrió que las moléculas de hidrógeno del electrolito de la batería migran al cátodo y se mueven a sitios donde normalmente se unen los iones de litio. . Como resultado, los iones de litio tienen menos lugares para unirse al cátodo, lo que debilita la corriente eléctrica y reduce la capacidad de la batería.
El transporte es la mayor fuente de gases de efecto invernadero producidos en los Estados Unidos y representa el 28% de las emisiones del país en 2021. En un esfuerzo por reducir las emisiones, muchos fabricantes de automóviles se han comprometido a dejar de producir automóviles de gasolina para producir más vehículos eléctricos. Pero los fabricantes de vehículos eléctricos enfrentan muchos desafíos, incluida una autonomía de conducción limitada, mayores costos de producción y una duración de batería más corta que los vehículos convencionales. En el mercado estadounidense, un automóvil eléctrico típico puede recorrer unas 250 millas con una sola carga, lo que representa aproximadamente el 60% de un automóvil de gasolina. Tony dijo que el nuevo estudio tiene el potencial de abordar todas estas cuestiones.
“Todos los consumidores quieren automóviles con mayor autonomía. Algunas de estas baterías con bajo contenido de cobalto podrían proporcionar una mayor autonomía, pero también debemos asegurarnos de que no se estropeen en el corto plazo”. , señalando que la reducción del cobalto también podría reducir los costos y abordar las preocupaciones de derechos humanos y justicia energética.
Con una mejor comprensión del mecanismo de autodescarga, los ingenieros pueden encontrar formas de prevenir este proceso, como recubrir el cátodo con un material especial para bloquear las moléculas de hidrógeno o usar un electrolito diferente.
“Ahora que entendemos qué causa que las baterías fallen, podemos decirle a la comunidad química de baterías qué se debe mejorar al diseñar baterías”, dijo Tony.
