Mejora del rendimiento de la batería a través de la química.

[ * El título del artículo es una alusión al nombre del primer álbum de estudio de Fatboy Slim, "Better Living Through Chemistry" / aprox. perev. ]



Una batería de plomo-ácido no se puede llamar un milagro de la ingeniería moderna. Es muy confiable y fácil de usar, y para cargarlo solo necesita aplicarle un voltaje fijo y esperar un poco; Como resultado, la batería se carga y permanece completamente cargada, eso es todo. En el otro lado de esta simplicidad están su tamaño, peso, densidad de energía y toxicidad de los materiales.

Una batería de litio es un éxito moderno, sin embargo, su alta densidad de energía lleva al hecho de que su pequeño estuche puede enojarse y volverse muy peligroso si se maltrata. Los científicos buscan opciones de batería más seguras, sistemas de carga mejorados, fórmulas para extender la vida útil de la batería que podrían recargarse miles de veces, y una publicación reciente ha provocado muchas respuestas entusiastas.

Considere los requisitos para la celda de batería en un vehículo eléctrico:

• Alta densidad de energía (gran cantidad de energía en una batería pequeña).
• Posibilidad de carga rápida.
• Posibilidad de descarga rápida.
• MUCHOS ciclos de carga / descarga.
• Baja autodescarga.
• Seguridad

Por el momento, las baterías de iones de litio son la mejor opción, pero hay muchas reacciones químicas con el litio, y dependiendo del uso planificado, el equilibrio y la carga, puede optimizar varias opciones de reacción para diferentes características de rendimiento. Si bien no hay una batería perfecta, y las solicitudes en conflicto garantizan la disponibilidad de varias opciones en el mercado.

Cómo funciona el litio + ion

Descargar una batería de iones de litio

Todas las baterías funcionan igual. Hay tres componentes: ánodo, cátodo y electrolito. Una reacción química entre un electrolito y electrodos (ánodo y cátodo) crea iones cerca de un electrodo y electrones al lado del otro, lo que resulta en una diferencia de potencial. Los pares de electrodos están hechos de diferentes materiales. El ánodo está unido con grafito al cobre, y el cátodo es un cristal de litio unido al aluminio. El electrolito funciona como un aislante, por lo que es más fácil para los electrones pasar de un electrodo a otro a través de un circuito que dentro de la batería. Al final de la reacción, la batería se descarga y la reacción ya no irá si los electrones no tienen a dónde ir. Para cargar la batería, el proceso se invierte y el voltaje suministrado al electrolito inicia la reacción en la dirección opuesta. No todos los electrolitos son iguales; La química de la batería, que no se puede recargar, le permite almacenar más energía, pero la aplicación de voltaje inverso en ella no inicia la reacción química.

Las capacidades de la batería se revelan mejor al aumentar el área de superficie de los electrodos, por lo que es mejor hacer un emparedado del ánodo, electrolito y cátodo lo más delgado posible y con un área de contacto más grande. El emparedado también incluye varias rodajas de otros materiales porosos que permiten el paso de iones pero evitan que los materiales migren. Tome algunos de sus sándwiches de batería y apílelos juntos, alternando con divisores. El resultado es una batería descargada (una celda barata en una carcasa plateada), o una batería prismática (una batería de moda que no encontrará en una computadora portátil), o si la gira en un tubo: una batería cilíndrica (por ejemplo, 18650 o AA) .

Million Mile Battery

Es posible que ya haya leído la noticia de que Tesla promete lanzar una batería que dura un millón de millas. El trabajo real fue realizado por un grupo de investigadores de la Universidad de Dalhousie en Halifax (Canadá) bajo un contrato con Tesla, sin embargo, realizaron muchas pruebas en varias baterías de iones de litio para encontrar la mejor combinación de elementos químicos, así como perfiles de uso y carga. A Million Mile Battery es solo una trampa de marketing que describe investigaciones que optimizan las fórmulas químicas de las baterías para aumentar su vida útil. El trabajo en sí está lleno de jerga técnica , por lo que estudié el tema de las baterías todo el fin de semana para hacer una selección.

Lo primero que vale la pena señalar con respecto a su fórmula de "un millón de millas": no es típico del comportamiento de la mayoría de los conductores actuales, propietarios promedio de automóviles que conducen al trabajo y a casa. Los científicos han apuntado a ese uso del automóvil, que implica viajes constantes y carga de la batería después de una descarga casi completa. Esta situación es adecuada para camiones, taxis y autobuses. Usan el término 100% DOD, es decir La "profundidad de descarga" es cuando la batería se usa hasta el tope, y solo entonces se carga, a diferencia de, por ejemplo, un teléfono inteligente que se carga todas las noches, independientemente del estado de la batería.

Lo que salió a la luz: baterías como el frío; nuevas fórmulas calientes

Descubrieron que la temperatura es muy importante. Una batería que ha trabajado la mayor parte de su vida útil a 20 ºC durará más que una que funcionó a 40 ºC; sin embargo, las baterías que funcionan a altas temperaturas y luego caen en condiciones bajas, pierden capacidad a la misma velocidad que las baterías que siempre funcionan a bajas temperaturas. En otras palabras, a alta temperatura, la batería pierde capacidad más rápido, y a baja temperatura no la pierde tan rápido, y cualquier batería puede moverse aquí y allá en este gráfico sin ningún efecto de memoria. Las temperaturas más bajas proporcionan una menor tasa de degradación a nivel molecular: menos grietas, dendritas, bolsas de gas, etc. Se apoyaban mucho en lo importante que es mantener todo a baja temperatura.

En experimentos anteriores, los investigadores pasaron mucho tiempo estudiando otras combinaciones de elementos químicos, pero se decidieron por los electrodos de grafito NMC532 (como la mayoría de la comunidad científica). En química, NMC532 es otro nombre para LiNi _0.5 Mn _0.3 Co _0.2 O ₂ . En términos simples, esto significa que el cátodo está compuesto principalmente por cristales de litio, con la adición de una pequeña cantidad de níquel, manganeso, cobalto y oxígeno, y el ánodo consiste en grafito (aunque los estudios de grafeno parecen prometedores).

Sin embargo, la característica NMC532 / grafito no es exhaustiva para la batería. También es necesario indicar el electrolito. Un electrolito es una mezcla de LiPF ₆ , solventes y aditivos, con nombres demasiado divertidos para ser pronunciados en voz alta, como el carbonato de dimetilo o el sulfato de etileno. En este trabajo, probaron varias combinaciones de solventes. Los aditivos también pueden afectar el rendimiento de la célula al aumentar la velocidad de carga / descarga al acortar el tiempo de vida, o viceversa. Según estudios previos, realmente les gustaron las dos fórmulas de suplementos (2% FEC + 1% LFO y 2% VC + 1% DTD), aunque descubrieron que se comportaban de manera diferente a diferentes temperaturas y sugirieron elegir aditivos de acuerdo con el objetivo aplicación En la fabricación de baterías, los componentes secos generalmente se fabrican primero, a los que luego se agrega electrolito líquido (Sparkfun hizo un artículo detallado que describe el proceso de producción).

Al elegir una fórmula especial y mantener una temperatura de funcionamiento baja, los investigadores pudieron minimizar las dos causas principales de degradación de la batería; pérdida de litio y aumento de la impedancia. En promedio, con el tiempo, los iones de litio, que se mueven aquí y allá, suben a lugares que no les permiten trabajar. Pueden resultar aislados eléctricamente, agrupados en placas, dendritas y películas superficiales, reaccionar con otros componentes de la célula y no participar en la carga y descarga. Las dendritas son especialmente dañinas: estos cristales en forma de agujas afiladas de litio pueden perforar los separadores y provocar un cortocircuito en la celda, que luego se calienta y conduce a una reacción autosostenida y, finalmente, a una explosión. La impedancia aumenta debido a la corrosión de los electrodos y la pérdida de área de superficie útil, debido a reacciones químicas, grietas o la formación de una capa superficial resistiva que bloquea el electrodo.


Métodos de degradación de la batería. Hay muchos de ellos, pero en esencia se reducen al hecho de que "los átomos se mueven donde no necesitan"

Una de las razones por las que su estudio atrajo mayor atención fue que era escrupuloso y abierto. Le llevó tres años, le llevó ejecutar cada batería a través de miles de ciclos de carga y descarga utilizando dispositivos de carga y descarga extremadamente precisos que registran la capacidad de la batería, y todo para obtener los datos más completos. Por lo general, es bastante difícil medir el ciclo de vida de la batería en modo acelerado; Las baterías están sujetas a velocidades de carga / descarga más altas que las requeridas en la vida normal, y reciben menos tiempo de recuperación. El hecho de que los investigadores pasen tanto tiempo en su trabajo sugiere resultados más realistas. También indicaron explícitamente:

A diferencia de los informes que describen el uso de celdas comerciales, incluimos una descripción completa de todos los detalles de nuestras baterías, incluida la composición de los electrodos, la composición del electrolito, los aditivos utilizados, etc. Esto se hace para que otras personas puedan reproducir estas células y usarlas para sus propios controles.

Es bueno para un cambio ver un estudio con soporte comercial, publicado en el dominio público, e incluso bajo una licencia Creative Commons.

A pesar de la apertura del trabajo, probablemente no veremos baterías de iones de litio caseras en el futuro cercano. Tal vez veremos una transición gradual a las fórmulas propuestas, y nos gustaría que se dé más influencia al enfriamiento, ya que esto aumenta significativamente la vida útil de la batería. Estamos seguros de que si necesita una batería, Tesla pronto se la podrá vender desde una de sus fábricas.