Un nuevo electrolito puede ayudar a las baterías de vehículos eléctricos a soportar el frío

La creciente densidad de energía de las baterías de iones de litio a lo largo de los años ha dado lugar a vehículos eléctricos con una mayor autonomía de conducción. Pero ese campo de prácticas cae en picado junto con las temperaturas en invierno. Esta caída en el rendimiento de la batería es una de las razones que los clientes citan a menudo para no querer comprar un vehículo eléctrico.

Al rediseñar el electrolito de la batería, los investigadores ahora han creado una batería que funciona a temperaturas de hasta -20 °C. En comparación con otras baterías para clima frío que los investigadores han informado hasta ahora, esta tiene una vida útil récord de más de un año.

Las baterías actuales funcionan bien a temperaturas entre 0 °C y 40 °C. Para un despliegue más generalizado, los desarrolladores se esfuerzan por fabricar baterías que funcionen en un rango más amplio de temperaturas, desde -40 °C hasta 60 °C. "La alta densidad de energía y la larga vida útil de las baterías de iones de litio a bajas temperaturas son clave para el desarrollo de vehículos eléctricos para todo clima", dice Chong Yan del Instituto de Tecnología de Beijing.

Para mantener las baterías funcionando en el frío de hoy, los fabricantes agregan aislamiento externo y calor. Pero esto también agrega volumen, y transportar ese peso adicional reduce el rango de manejo. Además, no es ideal para baterías de clima frío para aplicaciones sensibles al peso, como drones y satélites de gran altitud.

Muchos investigadores están intentando mejorar el rendimiento de la batería a bajas temperaturas centrándose en los electrolitos que transportan los iones de litio entre los electrodos de la batería. Las temperaturas gélidas espesan estos electrolitos, por lo que los iones se mueven más lentamente, lo que provoca una pérdida de capacidad y una carga lenta. Algunos equipos han usado recientemente solventes de baja temperatura para fabricar electrolitos o han probado aditivos químicos en los electrolitos que ayudan a mejorar su tolerancia al frío. Otros han formulado electrolitos completamente nuevos que pueden manejar una amplia gama de temperaturas.

Yan, junto con Qiang Zhang de la Universidad de Tsinghua y sus colegas, se centraron en el enfoque de solventes a baja temperatura. Si bien estos solventes ayudan al rendimiento en climas fríos, se sabe que producen gases a altas temperaturas que reducen la vida útil de la batería. "Sin embargo, el mecanismo de generación de gas y la estrategia de inhibición correspondiente siguen siendo desconocidos", dice Yan.

En su artículo publicado en la revista Matter, los investigadores ahora revelan el mecanismo detrás de esa generación de gas y proponen un nuevo electrolito de alta concentración que han diseñado como una solución al problema.

Descubrieron que el revestimiento de litio, la acumulación de metal de litio en la superficie del ánodo de grafito de la batería, es el culpable de la generación de gas. En las temperaturas invernales, debido a que los iones de litio se mueven lentamente, tienden a acumularse a medida que pasan del electrolito al grafito, por lo que eventualmente se acumula algo de litio metálico en la superficie. Los investigadores encontraron que el acetato de etilo, el solvente de baja temperatura comúnmente utilizado, reacciona violentamente con este litio revestido, lo que resulta en la formación de gases de hidrógeno y etano. La presión de la acumulación de gas eventualmente rompe los electrodos y hace que la batería falle.

Para combatir esta generación de gas, los investigadores fabricaron un electrolito disolviendo una cantidad mayor de lo habitual de sales de litio en un disolvente compuesto por un 90 por ciento de acetato de etilo y un 10 por ciento de carbonato de fluoroetileno.

Luego, los investigadores fabricaron una celda de batería con este electrolito, un ánodo de grafito y un cátodo NMC811, que está hecho de 80 por ciento de níquel, 10 por ciento de cobalto y 10 por ciento de manganeso. Los cátodos NMC811 se utilizan en las baterías de iones de litio de alto rendimiento de hoy en día debido a su alta densidad de energía y al uso mínimo del costoso cobalto.

"Todos los materiales que usamos están disponibles comercialmente y el electrolito propuesto es razonable de fabricar a gran escala", dice Yan, lo que hace que el nuevo enfoque sea fácilmente aplicable a los procesos químicos y de fabricación de baterías comunes de hoy.

Los investigadores muestran que el uso de acetato de etilo como disolvente principal mantiene la celda de la batería funcionando a temperaturas de hasta -40 °C. Mientras tanto, la sal de litio reacciona con el carbonato de fluoroetileno para formar una capa sólida en el ánodo que conduce los iones de litio pero también protege cualquier litio metálico que inevitablemente recubre la superficie. La capa protectora evita que el litio revestido reaccione con el acetato de etilo y forme gases.

En las pruebas, las celdas retuvieron más de las tres cuartas partes de su capacidad a temperatura ambiente a -40 °C. Y se pueden cargar durante más de 1.400 ciclos, que es el número medio de ciclos de carga por los que pasa una batería durante un año.

Sin embargo, todavía hay cuellos de botella que superar, dice Yan. El electrolito tiene un costo relativamente alto en comparación con los convencionales, y la batería no funciona de manera eficiente a temperaturas inferiores a -50 °C. Entonces, el equipo ahora planea "optimizar aún más la concentración de sal de litio y el tipo de solvente, esforzándose por reducir el costo del electrolito", además de mejorar el rendimiento a temperaturas más bajas.