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Las baterías de iones de litio e incluso las más recientes de polímero de litio tienen una vida limitada y pierden gradualmente su capacidad de mantener la carga. Por eso, reciclarlas es importante a largo plazo para gestionar los residuos y reforzar las reservas de materiales críticos.
Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford pueden haber encontrado una forma de revitalizar las baterías de litio recargables, lo que podría aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos y la vida útil de las baterías de los dispositivos electrónicos de última generación.
Cuando las baterías de litio entran en ciclo, acumulan pequeñas islas de litio inactivo que se separan de los electrodos, lo que reduce la capacidad de la batería para almacenar carga. Pero el equipo de investigación descubrió que podía hacer que este litio "muerto" se arrastrara prácticamente como un gusano hacia uno de los electrodos hasta reconectarse, invirtiendo parcialmente el proceso no deseado.
Cuando una isla de litio metálico inactivado se desplaza hacia el ánodo, o electrodo negativo, de una batería y se reconecta, vuelve a la vida, aportando electrones al flujo de corriente de la batería e iones de litio para almacenar carga hasta que se necesite. La isla se mueve añadiendo metal de litio en un extremo y disolviéndolo en el otro. Los investigadores descubrieron que podían impulsar el crecimiento de la isla en dirección al ánodo añadiendo un breve paso de descarga de alta corriente justo después de la carga de la batería. Comprobaron que la reconexión de la isla con el ánodo ralentizaba la degradación de su batería de prueba y aumentaba su vida útil en casi un 30%.
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| Una animación muestra cómo la carga y la descarga de una célula de prueba de una batería de litio hace que una isla de metal de litio "muerto", o desprendido, se deslice hacia adelante y hacia atrás entre los electrodos. El movimiento de ida y vuelta de los iones de litio a través del electrolito crea zonas de carga negativa (azul) y positiva (roja) en los extremos de la isla, que se intercambian a medida que la batería se carga y se descarga. El metal de litio se acumula en el extremo negativo de la isla y se disuelve en el positivo; este continuo crecimiento y disolución provoca el movimiento de ida y vuelta que se ve aquí. Los investigadores del SLAC y de Stanford descubrieron que añadir un breve paso de descarga de alta corriente justo después de cargar la batería empuja a la isla a crecer en dirección al ánodo, o electrodo negativo. La reconexión con el ánodo devuelve a la vida el litio muerto de la isla y aumenta la vida útil de la batería en casi un 30%. (Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleración del ALC). |
La idea del estudio surgió cuando Yi Cui, profesor de Stanford y del SLAC, que dirigió la investigación, especuló con la posibilidad de que la aplicación de un voltaje al cátodo y al ánodo de una batería podría hacer que una isla aislada de litio se moviera físicamente entre los electrodos. Su equipo ha confirmado ahora el proceso con sus experimentos.
El equipo fabricó una célula óptica con un cátodo de óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC), un ánodo de litio y una isla de litio aislada entre ambos. Este dispositivo de prueba les permitió seguir en tiempo real lo que ocurre en el interior de una batería cuando está en uso.
Descubrieron que la isla de litio aislada no estaba realmente "muerta" y respondía a las operaciones de la batería. Cuando se cargaba la pila, la isla se movía lentamente hacia el cátodo; cuando se descargaba, se deslizaba en dirección contraria.
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| Cuando una isla de metal de litio inactivado se desplaza hasta el ánodo, o electrodo negativo, de una batería y se reconecta, vuelve a la vida, aportando electrones al flujo de corriente de la batería e iones de litio para almacenar carga hasta que se necesite. La isla se mueve añadiendo metal de litio en un extremo (azul) y disolviéndolo en el otro (rojo). Los investigadores de SLAC y Stanford descubrieron que podían impulsar el crecimiento de la isla en dirección al ánodo añadiendo un breve paso de descarga de alta corriente justo después de la carga de la batería. La reconexión de la isla con el ánodo aumentó la vida útil de su célula de prueba de iones de litio en casi un 30%. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory) |
Los investigadores validaron los resultados con otras baterías de prueba y mediante simulaciones por ordenador. También demostraron cómo se puede recuperar el litio aislado en una batería real modificando el protocolo de carga.
"Descubrimos que podemos mover el litio desprendido hacia el ánodo durante la descarga, y estos movimientos son más rápidos con corrientes más altas", dijo el becario postdoctoral de Stanford Fang Liu, autor principal del estudio. "Así que añadimos una etapa de descarga rápida y de alta corriente justo después de la carga de la batería, que movió el litio aislado lo suficiente como para reconectarlo con el ánodo. Esto reactiva el litio para que pueda participar en la vida de la batería".
También cree que sus hallazgos tienen amplias implicaciones para el diseño y desarrollo de baterías de litio-metal más robustas.
Fuentes, créditos y referencias:
Liu, F., Xu, R., Wu, Y. et al. Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations. Nature 600, 659–663 (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-04168-w
Fuente: Universidad de Stanford