Las baterías no funcionan bien con el frío: un investigador de baterías explica la química a bajas temperaturas

Las baterías recargables son excelentes para almacenar energía y alimentar dispositivos electrónicos, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos.Sin embargo, en ambientes fríos, puede resultar más difícil cargarlos e incluso pueden incendiarse.

Soy un profesor de ingeniería mecánica interesado en las baterías desde la universidad.Ahora dirijo un grupo de investigación de baterías en la Universidad de Drexel.

Tan sólo en la última década, he observado el Baja el precio de las baterías de iones de litio como el mercado de producción ha crecido mucho más.Las proyecciones futuras predicen que el mercado podría alcanzar miles de GWh por año para 2030, un aumento significativo.

Pero las baterías de iones de litio no son perfectas: este aumento conlleva riesgos, como su tendencia a ralentizarse durante el clima frío e incluso a incendiarse.

Detrás de la batería de iones de litio

El almacenamiento de energía electroquímica Dentro de las baterías funciona almacenando electricidad. en forma de iones.Los iones son átomos que tienen una carga distinta de cero porque tienen demasiados o pocos electrones.

Cuando enchufas tu coche eléctrico o tu teléfono, la electricidad proporcionada por el tomacorriente impulsa estos iones desde el electrodo positivo de la batería hasta su electrodo negativo.Los electrodos son materiales sólidos en una batería que pueden almacenar iones, y todas las baterías tienen un electrodo positivo y uno negativo.

Los electrones pasan a través de la batería en forma de electricidad.Con cada electrón que pasa a un electrodo, también pasa un ion de litio al mismo electrodo.Esto asegura el equilibrio de cargas en la batería.Mientras conduce su automóvil, los iones almacenados en el electrodo negativo regresan al electrodo positivo y el flujo de electricidad resultante impulsa el motor.

Si bien las baterías AA o AAA pueden alimentar dispositivos electrónicos pequeños, solo se pueden usar una vez y no se pueden cargar.Las baterías recargables de iones de litio pueden funcionar durante miles de ciclos de carga y descarga completa.Para cada ciclo, también pueden almacenar una cantidad de carga mucho mayor que una batería AA o AAA.

Dado que el litio es el metal más ligero, tiene un alto capacidad específica, lo que significa que puede almacenar un enorme cantidad de carga por peso.Esta es la razón por la que las baterías de iones de litio son útiles no sólo para dispositivos electrónicos portátiles sino también para alimentar medios de transporte con peso o volumen limitado, como los automóviles eléctricos.

Incendios de batería

Sin embargo, las baterías de iones de litio tienen riesgos que las baterías AA o AAA no tienen.Por un lado, es más probable que se incendien.Por ejemplo, el número de Se incendia batería de bicicleta eléctrica reportados en la ciudad de Nueva York ha aumentado de 30 a casi 300 en los últimos cinco años.

Muchos problemas diferentes pueden provocar un incendio en la batería.Las celdas mal fabricadas podrían contener defectos, como trazas de impurezas o partículas dejadas en el proceso de fabricación, que aumentan el riesgo de una falla interna.

El clima también puede afectar el funcionamiento de la batería. Venta de vehículos eléctricos han aumentado en todo Estados Unidos, particularmente en regiones frías como el noreste y el medio oeste, donde las gélidas temperaturas pueden obstaculizar el rendimiento de la batería.

Las baterías contienen fluidos llamados electrolitos y las temperaturas frías hacen que los fluidos fluyan más lentamente.Entonces, los electrolitos de las baterías se ralentizan y se espesan con el frío, lo que hace que los iones de litio del interior se muevan más lentamente.Esta desaceleración puede impedir que los iones de litio se inserten correctamente en los electrodos.En cambio, pueden depositarse en la superficie del electrodo y formar metal litio.

Si se deposita demasiado litio en la superficie del electrodo durante la carga, puede provocar un cortocircuito interno.Este proceso puede iniciar un incendio en la batería.

Hacer baterías más seguras

mi grupo de investigacion, junto con muchos otros, está estudiando cómo fabricar baterías que funcionen de manera más eficiente en el frío.

Por ejemplo, los investigadores están explorando la posibilidad de cambiar el electrolito habitual de la batería por un electrolito alternativo que no se espese a temperaturas frías.Otra opción potencial es calentando la batería antes de cargar para que el proceso de carga se produzca a una temperatura más cálida.

Mi grupo también está investigando nuevos tipos de baterías más allá de las de iones de litio.Estos podrían ser tipos de baterías que son más estables en rangos de temperatura más amplios, tipos que ni siquiera usan electrolitos líquidos o baterías que usan sodio en lugar de litio. Baterías de iones de sodio podría funcionar bien y costar menos, ya que el sodio es un recurso muy abundante.

Baterías de estado sólido Utilice electrolitos sólidos que no sean inflamables, lo que reduce el riesgo de incendio.Pero estas baterías no funcionan tan bien como las de iones de litio, por lo que será necesario realizar más investigaciones para determinar si son una buena opción.

Las baterías de iones de litio impulsan tecnologías que la gente de todo el país utiliza todos los días, y la investigación en estas áreas tiene como objetivo encontrar soluciones que hagan que esta tecnología sea aún más segura para el consumidor.