Las conclusiones de la investigación, publicadas en Joule según la propia Universidad, descubrieron que los iones de litio no se almacenan en un patrón uniforme en la batería cuando ésta se carga y se descarga, por lo que es esencial entender cómo se mueven los iones de litio y cómo se almacenan cuando una batería se carga y se descarga, ya que esto es lo que produce la carga.
«Es la primera vez que se observa directamente esta falta de uniformidad en el almacenamiento del litio en partículas individuales», afirma una de las autoras del proceso, Alice Merryweather, estudiante de doctorado del Departamento de Química Yusuf Hamied. «Las técnicas en tiempo real como la nuestra son esenciales para captar esto mientras la batería está en ciclo».
De la mano de la profesora Dame Clare Grey y del profesor Akshay Rao, afirman que cuando la batería se acerca al final de su ciclo de descarga, las superficies de las partículas activas se saturan de litio, mientras que sus núcleos son deficientes en litio. El resultado es la pérdida de litio reutilizable y una capacidad reducida.
Elemento vital
Todos convenimos que los vehículos eléctricos son vitales en la transición hacia una economía de carbono cero. La mayoría de los vehículos eléctricos que circulan hoy en día funcionan con baterías de iones de litio, debido en parte a su alta densidad energética, aunque a medida que su uso se generaliza, la necesidad de aumentar la autonomía y acelerar los tiempos de carga obliga a mejorar los materiales actuales de las baterías y a identificar otros nuevos.
Algunos de los materiales más prometedores son los conocidos como óxidos estratificados de litio y níquel, que se utilizan ampliamente en los vehículos eléctricos de alta gama. Sin embargo, sus mecanismos de funcionamiento, en particular el transporte de iones de litio en condiciones prácticas de funcionamiento, y la forma en que esto se relaciona con su rendimiento electroquímico, no se comprenden del todo, por lo que hay margen de mejora.
Al seguir con un microscopio la forma en que la luz interactúa con las partículas activas durante el funcionamiento de la batería, los investigadores observaron claras diferencias en el almacenamiento de litio durante el ciclo de carga y descarga en el óxido de manganeso y cobalto (NMC) rico en níquel.
Combinando las observaciones experimentales con la modelización informática, los investigadores descubrieron que la falta de uniformidad se debe a cambios drásticos en la velocidad de difusión de los iones de litio en el NMC durante el ciclo de carga-descarga. En concreto, los iones de litio se difunden lentamente en las partículas de NMC totalmente litificadas, pero la difusión aumenta significativamente una vez que se extraen algunos iones de litio de estas partículas, explican desde la prestigiosa Universidad británica.
«Nuestro modelo proporciona información sobre el rango en el que varía la difusión de los iones de litio en la NMC durante las primeras etapas de la carga», afirma otro de los coautores del estudio, Shrinidhi Pandurangi, del Departamento de Ingeniería de Cambridge. «Nuestro modelo predijo con precisión las distribuciones de litio y captó el grado de heterogeneidad observado en los experimentos. Estas predicciones son clave para entender otros mecanismos de degradación de las baterías, como la fractura de partículas».
«Una norma industrial que se utiliza para determinar si una batería debe retirarse o no es cuando ha perdido el 20 % de su capacidad», afirma el coautor Chao Xu, de la Universidad de ShanghaiTech, que realizó la investigación mientras estaba en Cambridge.
Así que, sobre estas bases, los investigadores buscan ahora nuevos enfoques para aumentar la densidad energética práctica y la vida útil de estos prometedores materiales para baterías.
