Un nuevo estudio de la Universidad de Cambridge, publicado en la revista Nature, ha descubierto una nueva técnica que permite recargar las baterías, como las de los móviles o los ordenadores, de forma rápida, en tan solo cinco minutos.
Se trata de mirar dentro de las baterías de iones de litio y seguir su movimiento en tiempo real, un proceso que permitió a los investigadores identificar procesos de limitación de velocidad para conseguir la carga rápida.
Esta técnica, de bajo coste, no solo ayudará a mejorar los materiales de las baterías existentes, sino que también podría acelerar el desarrollo de baterías de próxima generación, uno de los mayores obstáculos tecnológicos que se deben superar en la transición hacia un sistema libre de combustibles fósiles.
Si bien las baterías de iones de litio tienen ventajas innegables, como densidades de energía relativamente altas y una vida útil prolongada en comparación con otras baterías y medios de almacenamiento de energía, también pueden sobrecalentarse o incluso explotar, y su producción es relativamente costosa.
Además, su densidad de energía no se acerca a la de la gasolina. Hasta ahora, esto las hace inadecuadas para su uso generalizado en dos importantes tecnologías limpias: coches eléctricos y almacenamiento a escala de red para energía solar.
"Para mejorar las baterías que ya estamos usando, necesitamos comprender lo que sucede en su interior".
"Una batería mejor es aquella que puede almacenar mucha más energía o una que puede cargarse mucho más rápido, idealmente ambas", dijo en un comunicado el coautor doctor Christoph Schnedermann, del Laboratorio Cavendish de Cambridge. "Pero para hacer mejores baterías con materiales nuevos y para mejorar las baterías que ya estamos usando, necesitamos comprender lo que sucede en su interior".
El proceso para comprender mejor las baterías
Para mejorar las baterías de iones de litio y ayudar a que se carguen más rápido, los investigadores deben seguir y comprender los procesos que ocurren en los materiales en funcionamiento en condiciones realistas en tiempo real. Actualmente, esto requiere sofisticadas técnicas de microscopía electrónica o de rayos X de sincrotrón, que requieren mucho tiempo y son costosas.
"Para estudiar realmente lo que está sucediendo dentro de una batería, esencialmente tiene que hacer que el microscopio haga dos cosas a la vez: necesita observar que las baterías se cargan y descargan durante un período de varias horas, pero al mismo tiempo necesita capturar muy rápido procesos que ocurren dentro de la batería", dijo la primera autora Alice Merryweather, estudiante de doctorado en el Laboratorio Cavendish de Cambridge.
La técnica desarrollada en la nueva investigación
El equipo de Cambridge desarrolló una técnica de microscopía óptica llamada microscopía de dispersión interferométrica para observar estos procesos en funcionamiento. Usando esta técnica, pudieron observar partículas individuales de óxido de cobalto de litio (a menudo denominado LCO) que se cargaban y descargaban midiendo la cantidad de luz dispersa.
Pudieron ver que el LCO atravesaba una serie de transiciones de fase en el ciclo de carga y descarga. Los límites de fase dentro de las partículas de LCO se mueven y cambian a medida que los iones de litio entran y salen. Los investigadores encontraron que el mecanismo del límite móvil es diferente dependiendo de si la batería se está cargando o descargando.
"Descubrimos que existen diferentes límites de velocidad para las baterías de iones de litio, dependiendo de si se están cargando o descargando", dijo el doctor Akshay Rao del Laboratorio Cavendish, quien dirigió la investigación. "Al cargar, la velocidad depende de qué tan rápido pueden pasar los iones de litio a través de las partículas de material activo. Al descargar, la velocidad depende de qué tan rápido se inserten los iones en los bordes. Si podemos controlar estos dos mecanismos, permitiría que las baterías de iones de litio se carguen mucho más rápido".
"Dado que las baterías de iones de litio se han utilizado durante décadas, uno pensaría que sabemos todo lo que hay que saber sobre ellas, pero ese no es el caso", dijo Schnedermann. "Esta técnica nos permite ver qué tan rápido podría pasar por un ciclo de carga-descarga. Lo que realmente esperamos es utilizar la técnica para estudiar los materiales de las baterías de próxima generación; podemos usar lo que aprendimos sobre LCO para desarrollar nuevos materiales ".
"La técnica es una forma bastante general de observar la dinámica iónica en materiales de estado sólido, por lo que puede usarla en casi cualquier tipo de material de batería", dijo la profesora Clare Gray, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, quien codirigió la investigación.
La naturaleza de alto rendimiento de la metodología permite muestrear muchas partículas en todo el electrodo y, en el futuro, permitirá una mayor exploración de lo que sucede cuando las baterías fallan y cómo prevenirlo.
"Esta técnica hace que podamos mantenernos al día con el rápido funcionamiento interno de una batería"
"Esta técnica de laboratorio que hemos desarrollado ofrece un gran cambio en la velocidad de la tecnología para que podamos mantenernos al día con el rápido funcionamiento interno de una batería", dijo Schnedermann. "El hecho de que podamos ver estos límites de fase cambiando en tiempo real fue realmente sorprendente. Esta técnica podría ser una pieza importante del rompecabezas en el desarrollo de baterías de próxima generación".
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