Un proceso de fabricación modificado para baterías de vehículos eléctricos, desarrollado por ingenieros de la Universidad de Michigan (UM), podría permitir altas autonomías y carga rápida en climas fríos, solucionando problemas que están alejando a los potenciales compradores de vehículos eléctricos.
"Consideramos este enfoque como algo que los fabricantes de baterías para vehículos eléctricos podrían adoptar sin realizar grandes cambios en las fábricas existentes", afirmó Neil Dasgupta , profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales de la UM, y autor correspondiente del estudio publicado en Joule.
“Por primera vez, hemos demostrado una vía para lograr simultáneamente una carga extremadamente rápida a bajas temperaturas, sin sacrificar la densidad energética de la batería de iones de litio”.
Las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos fabricadas de esta manera pueden cargarse un 500 % más rápido a temperaturas de hasta -10 °C (14 °F). La estructura y el recubrimiento demostrados por el equipo evitaron la formación de un recubrimiento de litio que perjudica el rendimiento en los electrodos de la batería. Como resultado, las baterías con estas modificaciones conservan el 97 % de su capacidad incluso después de 100 cargas rápidas a temperaturas muy frías.
Las baterías actuales de vehículos eléctricos almacenan y liberan energía mediante el movimiento de iones de litio entre electrodos a través de un electrolito líquido. A bajas temperaturas, este movimiento de iones se ralentiza, lo que reduce tanto la potencia de la batería como la velocidad de carga.
Para ampliar la autonomía, los fabricantes de automóviles han aumentado el grosor de los electrodos que utilizan en las celdas de la batería. Si bien esto les ha permitido prometer recorridos más largos entre cargas, dificulta el acceso a una parte del litio, lo que resulta en una carga más lenta y menor potencia para un peso de batería determinado.
El problema
Anteriormente, el equipo de Dasgupta mejoró la capacidad de carga de las baterías creando vías de aproximadamente 40 micras en el ánodo, el electrodo que recibe los iones de litio durante la carga. Al perforar el grafito mediante láseres, los iones de litio se alojaron más rápidamente, incluso en las profundidades del electrodo, lo que garantiza una carga más uniforme.
Esto aceleró significativamente la carga a temperatura ambiente, pero la carga en frío seguía siendo ineficiente. El equipo identificó el problema: la capa química que se forma en la superficie del electrodo al reaccionar con el electrolito. Dasgupta compara este comportamiento con la mantequilla: se puede atravesar con un cuchillo tanto caliente como fría, pero es mucho más difícil en frío. Si se intenta realizar una carga rápida a través de esa capa, el litio metálico se acumulará en el ánodo como un atasco de tráfico.
“Ese recubrimiento impide que se cargue todo el electrodo, lo que reduce una vez más la capacidad energética de la batería”, dijo Manoj Jangid, investigador principal de ingeniería mecánica de la UM y coautor del estudio.
El equipo necesitaba evitar la formación de dicha capa superficial. Para ello, recubrieron la batería con un material vítreo de borato-carbonato de litio de aproximadamente 20 nanómetros de espesor. Este recubrimiento aceleró significativamente la carga en frío y, al combinarse con los canales, las celdas de prueba del equipo se cargaron un 500 % más rápido a temperaturas bajo cero.
“Gracias a la sinergia entre las arquitecturas 3D y la interfaz artificial, este trabajo puede abordar simultáneamente el trilema de la carga rápida a baja temperatura para la conducción de largo alcance”, afirmó Tae Cho, reciente doctor en ingeniería mecánica y primer autor del estudio.
El frío echa para atrás
En las últimas dos décadas, los vehículos eléctricos se han vuelto más comunes en las carreteras a medida que los consumidores buscan mejores opciones ambientales, pero los resultados de la encuesta de la AAA mostraron que este impulso es difícil de mantener. Entre 2023 y 2024, el número de adultos estadounidenses que probablemente o muy probablemente comprarían un vehículo eléctrico nuevo o usado disminuyó del 23 % al 18 %.
El 63 % afirmó que sería "poco probable" o "muy improbable" que comprara un vehículo eléctrico. Parte de la preocupación radica en la disminución de la autonomía durante el invierno, sumada a una carga más lenta , ampliamente reportada durante la ola de frío de enero de 2024.
Cargar la batería de un vehículo eléctrico tarda entre 30 y 40 minutos, incluso con una carga rápida agresiva, y ese tiempo aumenta a más de una hora en invierno. Este es el problema que queremos abordar, afirmó Dasgupta.
El trabajo de seguimiento para desarrollar procesos listos para la fábrica está financiado por la Corporación de Desarrollo Económico de Michigan a través del Centro de Innovación en Transporte Avanzado de Investigación y Comercialización Traslacional de Michigan (MTRAC) .
Los dispositivos se construyeron en el Laboratorio de Baterías de la UM y se estudiaron en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan .
El equipo ha solicitado protección de patente con la ayuda de UM Innovation Partnerships. Arbor Battery Innovations ha obtenido la licencia y está trabajando para comercializar la tecnología de canal. Dasgupta y la Universidad de Michigan tienen un interés financiero en Arbor Battery Innovations.
galan
05/04/2025