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Una prueba más rápida para baterías de automóviles eléctricos
Se necesitan años para verificar que una nueva tecnología de batería durará la vida útil de un automóvil híbrido o eléctrico. Eso significa que los materiales de las baterías que pueden costar menos y almacenar más energía que las baterías actuales están languideciendo en los bancos de laboratorio.
Probador de batería: Este sistema carga y descarga 60 celdas de batería y predice cuánto durarán.
Una nueva forma de probar las baterías de iones de litio podría reducir ese tiempo a unas pocas semanas en lugar de algunos años, eliminando un cuello de botella clave que mantiene altos los costos de las baterías y las capacidades de almacenamiento bajas.
Al medir con precisión la eficiencia con la que las baterías experimentales almacenan y entregan una carga eléctrica, Jeff Dahn de la Universidad de Dalhousie puede predecir cuántas veces se pueden cargar y descargar las celdas de la batería, lo que se conoce como el ciclo de vida de la batería. Dahn, profesor de física y química, también está tratando de demostrar que el método puede predecir cuánto durará una batería en el estante, lo que se conoce como vida de calendario.
Juntos, la vida útil del ciclo y la vida útil del calendario determinan cuánto tiempo será útil una batería. Son esenciales para determinar, por ejemplo, qué tan grande debe ser la batería para almacenar la cantidad de energía anunciada durante la vida útil del automóvil.
La técnica ha llamado la atención de los fabricantes de automóviles, que están tratando de validarla y utilizarla, especialmente como herramienta para predecir el ciclo de vida. También podría permitir a los académicos, que tienen menos recursos que los fabricantes de automóviles, desarrollar materiales para baterías con un potencial comercial real. Creemos que esta técnica podría ser muy útil, dice Masaki Matsui, gerente del departamento de investigación de materiales en Instituto de Investigación Toyota de América del Norte . Él dice que identificará problemas con los materiales muy temprano en el desarrollo de la batería, lo que permitirá a los investigadores clasificar rápidamente las combinaciones de electrodos y electrolitos de la batería.
Una variedad de cosas pueden salir mal en una batería. La idea clave del enfoque de Dahn es que muchos de estos inconvenientes pueden aparecer en una sola prueba: la medición de la diferencia entre la cantidad de carga que ingresa a una batería durante la carga y la cantidad que sale cuando se descarga (también llamada eficiencia culómbica ). Si sale menos carga de la que entra, esa energía se está desperdiciando por reacciones no deseadas dentro de la batería. Estas pérdidas se acumulan: con ciclos sucesivos, la batería vuelve cada vez menos cargada hasta que finalmente no es utilizable.
Dahn ha construido un sistema de carga de la batería que puede detectar pérdidas de carga muy pequeñas, identificando en unas pocas semanas la presencia de reacciones que acortan la vida que de otra manera no aparecerían hasta después de meses o años de pruebas. Dahn ha utilizado la técnica para identificar cambios sutiles en la química que pueden aumentar el ciclo de vida de un tipo de batería hasta seis veces.
Una prueba tan precisa no era necesaria para las baterías de iones de litio cuando se usaban casi en su totalidad para dispositivos electrónicos portátiles que tienen que durar solo unos pocos años. Pero ahora se están diseñando baterías para alimentar vehículos eléctricos o para almacenar energía de paneles solares, y deben durar 10, 15, 20 años o más. En esos lapsos, incluso una pequeña ineficiencia puede conducir a grandes problemas.
Es más, los fabricantes de baterías están mezclando cócteles de electrolitos cada vez más complejos, cada parte de los cuales podría cambiar significativamente la vida útil de una batería. Los electrolitos tienen algo así como 10 componentes. Entonces quieres evaluar más aditivos. Es solo una pesadilla, dice Dahn. Con las técnicas de medición convencionales, dice, es difícil saber si un cambio que ha hecho es bueno o malo sin hacer una prueba que sea más larga que su carrera. Al medir con precisión la eficiencia culómbica, dice, en unas pocas semanas, lo tiene todo.
Mark Mathias, gerente de De General Motors laboratorio de investigación de energía electroquímica en Nueva York, no está completamente convencido. Lo que está haciendo Jeff es un muy buen diagnóstico. Estoy de acuerdo en que deberíamos usarlo, pero es una herramienta, no una panacea, dice. Por un lado, no les dice a los investigadores qué está mal en una célula. Mathias dice que los investigadores necesitan una mejor comprensión de las causas subyacentes de las pérdidas de eficiencia. Eso les ayudaría a resolver los problemas que identifican las pruebas de Dahn.
Mathias tampoco está seguro de que la prueba resulte confiable para medir la vida útil del calendario. Podría usarse para ayudar a evaluar las baterías, dice, pero la desafortunada realidad es que no podemos saber con certeza si tenemos una prueba acelerada que imita 10 años a menos que la hayamos probado durante 10 años, dice.
Dahn dice que en este momento su equipo es lo suficientemente preciso como para decirles a los investigadores si un cambio particular en la química de la batería marcará la diferencia entre que dure 500 ciclos de carga (necesarios para algunos años de conducción de un vehículo eléctrico) o 1,000. Ahora está trabajando con un fabricante de equipos para mejorar el proceso de predicciones precisas hasta aproximadamente 10,000 ciclos.