Cómo los cátodos agrietados ayudan a reducir el tiempo de carga de las baterías de iones de litio

«Muchas empresas están interesadas en fabricar ‘baterías de un millón de millas’ utilizando partículas que no se agrieten. Desgraciadamente, si se eliminan las grietas, las partículas de la batería no podrán cargarse rápidamente sin la superficie extra de esas grietas», explica Yiyang Li, autor correspondiente del estudio publicado en Energy & Environmental Science. «En un viaje por carretera, no queremos esperar cinco horas a que se cargue el coche. Queremos cargarlo en 15 o 30 minutos».

El equipo de Li cree que los hallazgos se aplican a más de la mitad de las baterías de vehículos eléctricos, en las que el electrodo positivo -o cátodo- está compuesto por billones de partículas microscópicas hechas de óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto u óxido de litio-níquel-cobalto-aluminio.

Explicó que, en teoría, la velocidad a la que se carga el cátodo depende de la relación superficie-volumen de las partículas.

Las partículas más pequeñas deberían cargarse más rápido que las grandes porque tienen una mayor superficie en relación con su volumen, de modo que los iones de litio tienen distancias más cortas para difundirse a través de ellas.

Sin embargo, los métodos convencionales no podían medir directamente las propiedades de carga de las partículas individuales del cátodo, sino sólo la media de todas las partículas que componen el cátodo de la batería. Esta limitación significa que la relación ampliamente aceptada entre la velocidad de carga y el tamaño de las partículas del cátodo no era más que una suposición.

«Descubrimos que las partículas del cátodo están agrietadas y tienen superficies más activas para absorber los iones de litio, no sólo en su superficie exterior, sino también en el interior de las grietas de las partículas», explica Jinhong Min, estudiante de doctorado que trabaja en el laboratorio de Li. «Los científicos especializados en baterías saben que se produce el agrietamiento, pero no han medido cómo afecta a la velocidad de carga».

Medición de la velocidad de carga

Medir la velocidad de carga de las partículas individuales del cátodo fue clave para descubrir el lado positivo del agrietamiento de los cátodos, lo que Li y Min lograron insertando las partículas en un dispositivo que suelen utilizar los neurocientíficos para estudiar cómo transmiten las señales eléctricas las células cerebrales individuales.

«Cuando estaba en la universidad, un colega que estudiaba neurociencia me enseñó estas matrices que utilizaban para estudiar neuronas individuales. Me pregunté si también podríamos utilizarlas para estudiar las partículas de las pilas, cuyo tamaño es similar al de las neuronas», explica Li.

Cada matriz es un chip de 2 por 2 centímetros diseñado a medida con hasta 100 microelectrodos. Tras esparcir algunas partículas catódicas por el centro del chip, Min trasladó partículas individuales a sus propios electrodos en la matriz utilizando una aguja unas 70 veces más fina que un cabello humano. Una vez colocadas las partículas, pudo cargar y descargar simultáneamente hasta cuatro partículas individuales a la vez en la matriz y midió 21 partículas en este estudio concreto.

Las grietas importantes

El experimento reveló que la velocidad de carga de las partículas catódicas no dependía de su tamaño. Li y Min creen que la explicación más probable de este comportamiento inesperado es que las partículas más grandes se comportan en realidad como un conjunto de partículas más pequeñas cuando se agrietan. Otra posibilidad es que los iones de litio se muevan muy deprisa en los límites de los granos, los diminutos espacios entre los cristales a nanoescala que componen la partícula catódica.

Li cree que esto es poco probable, a menos que el electrolito de la batería -el medio líquido en el que se mueven los iones de litio- penetre en estos límites y forme grietas.

Es importante tener en cuenta las ventajas de los materiales agrietados a la hora de diseñar baterías de larga duración con partículas monocristalinas que no se agrieten. Para cargarse con rapidez, estas partículas deben ser más pequeñas que las actuales partículas de cátodo agrietado. La alternativa es fabricar cátodos monocristalinos con materiales diferentes que puedan mover el litio más rápidamente, pero esos materiales podrían estar limitados por el suministro de los metales necesarios o tener densidades energéticas más bajas, dijo Li.