Desarrollan una batería para vehículo eléctrico que se carga en menos de 5 minutos

Un equipo de Cornell Engineering creó una nueva batería de litio que puede cargarse en menos de cinco minutos (más rápido que cualquier batería de este tipo en el mercado) y al mismo tiempo mantiene un rendimiento estable durante ciclos prolongados de carga y descarga.

Con ella, se podría decir adiós a eso que se llama “ansiedad por la autonomía” entre los conductores que temen que los vehículos eléctricos no puedan recorrer largas distancias sin una recarga que requiere mucho tiempo.

"La ansiedad por el alcance es una barrera mayor para la electrificación en el transporte que cualquiera de las otras barreras, como el costo y la capacidad de las baterías, y hemos identificado una vía para eliminarla utilizando diseños de electrodos racionales", dijo Lynden Archer , profesor distinguido de Ingeniería y decano de Cornell Engineering, quien supervisó el proyecto.

"Si puedes cargar la batería de un vehículo eléctrico en cinco minutos, no necesitas tener una batería que sea lo suficientemente grande para un alcance de 300 millas (482 kilómetros). Puede conformarse con menos, lo que podría reducir el costo de los vehículos eléctricos y permitir una adopción más amplia”.

El artículo del equipo, “Carga rápida y almacenamiento de larga duración en baterías de litio ”, se publicó el 16 de enero en Joule. El autor principal es Shuo Jin, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular.

El diseño de las baterías

Las baterías de iones de litio se encuentran entre los medios más populares para alimentar vehículos eléctricos y teléfonos inteligentes. Las baterías son ligeras, fiables y relativamente eficientes energéticamente. Sin embargo, tardan horas en cargarse y carecen de la capacidad para soportar grandes picos de corriente.

"Nuestro objetivo era crear diseños de electrodos de batería que se cargaran y descargaran de manera que se alinearan con la rutina diaria", dijo Jin. “En términos prácticos, deseamos que nuestros dispositivos electrónicos se carguen rápidamente y funcionen durante períodos prolongados. Para lograr esto, hemos identificado un material de ánodo de indio único que se puede combinar de manera efectiva con varios materiales de cátodo para crear una batería que se carga rápidamente y se descarga lentamente”.

El laboratorio de Archer abordó previamente el diseño de baterías centrándose en cómo los iones se mueven en los electrolitos y cristalizan en las interfaces de los ánodos metálicos, luego utilizó este conocimiento para manipular la morfología de los electrodos y crear ánodos más seguros para el almacenamiento de larga duración.

Reacciones electroquímicas del indio

Para su nueva batería de litio, los investigadores tomaron un rumbo diferente y se centraron en la cinética de las reacciones electroquímicas, empleando específicamente un concepto de ingeniería química denominado "número de Damköhler". Esto es esencialmente una medida de la velocidad a la que ocurren las reacciones químicas, en relación con la velocidad a la que se transporta el material al sitio de la reacción.

La identificación de materiales de electrodos de baterías con velocidades de transporte de estado sólido inherentemente rápidas y, por tanto, bajos números de Damköhler, ayudó a los investigadores a identificar el indio como un material excepcionalmente prometedor para baterías de carga rápida. El indio es un metal blando, que se utiliza principalmente para fabricar recubrimientos de óxido de indio y estaño para pantallas táctiles y paneles solares. También se utiliza como sustituto del plomo en soldaduras de baja temperatura.

El nuevo estudio muestra que el indio tiene dos características cruciales como ánodo de batería: una barrera de energía de migración extremadamente baja, que establece la velocidad a la que los iones se difunden en estado sólido; y una modesta densidad de corriente de intercambio, que está relacionada con la velocidad a la que se reducen los iones en el ánodo. La combinación de esas cualidades (difusión rápida y cinética de reacción superficial lenta) es esencial para una carga rápida y un almacenamiento de larga duración.

El peso del indio

"La innovación clave es que hemos descubierto un principio de diseño que permite que los iones metálicos en el ánodo de una batería se muevan libremente, encuentren la configuración correcta y sólo entonces participen en la reacción de almacenamiento de carga", dijo Archer. “El resultado final es que en cada ciclo de carga, el electrodo se encuentra en un estado morfológico estable. Es precisamente lo que da a nuestras nuevas baterías de carga rápida la capacidad de cargarse y descargarse repetidamente durante miles de ciclos”.

Esa tecnología, combinada con la carga por inducción inalámbrica en las carreteras, reduciría el tamaño (y el costo) de las baterías, haciendo del transporte eléctrico una opción más viable para los conductores.

Sin embargo, eso no significa que los ánodos de indio sean perfectos, ni siquiera prácticos.

"Si bien este resultado es emocionante, ya que nos enseña cómo llegar a cargar baterías rápidamente, el indio es pesado", dijo Archer. “Ahí radica una oportunidad para el modelado de química computacional, tal vez utilizando herramientas de inteligencia artificial generativa, para aprender qué otras químicas de materiales livianos podrían lograr los mismos números de Damköhler intrínsecamente bajos. Por ejemplo, ¿existen aleaciones metálicas que nunca hayamos estudiado y que tengan las características deseadas? De ahí viene mi satisfacción, de que existe un principio general que permite a cualquiera diseñar un mejor ánodo de batería que logre velocidades de carga más rápidas que la tecnología de punta”.