Las baterías de iones de litio que utilizan los coches eléctricos, a causa de un mecanismo oculto, pierden oxígeno superficial y sufren un deterioro. Ahora, un equipo de ingenieros de dos universidades de Corea del Sur ha desvelado este mecanismo de degradación.
Si bien estos ingenieros coreanos no abordan en su estudio, que difunde Advanced Energy Materials, la posible relación entre su hallazgo y las explosiones incontroladas de estas baterías de iones de litio, diversos analistas coinciden en subrayar que es un dato a tener en cuenta por su posible inestabilidad.
Los incendios de vehículos eléctricos en garajes o al aire libre, por diversas causas pero entre ellas por explosiones de las baterías de iones de litio que utilizan, es algo habitual en China, donde hay decenas de empresas que se dedican a su fabricación y exportación a diversos países, entre ellos España.
Recientemente, en una población próxima a Madrid, se produjo una explosión de un vehículo eléctrico en un garaje que ocasionó la muerte de dos bomberos y graves heridas a un tercero. Aún no hay datos sobre la marca de ese automóvil, pero parece ser que se trata de un coche de alta gama de una conocida marca alemana. Aunque estos extremos aún no se han confirmado oficialmente.
Volviendo al estudio de los investigadores coreanos, el equipo estuvo integrado por Seungyun Jeon, Gukhyun Lim el profesor Jihyun Hong, del Departamento de Ingeniería de Baterías de POSTECH (Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang), junto con el equipo del profesor Jongsoon Kim, de la Universidad de Sungkyunkwan.
En él, recuerdan que las baterías de iones de litio, esenciales para los vehículos eléctricos, suelen utilizar cátodos ternarios de níquel-manganeso-cobalto (NMC). Para reducir costos, las tendencias recientes de la industria automovilística han favorecido el aumento del contenido de níquel, minimizando el uso del costoso cobalto. Sin embargo, un mayor contenido de níquel tiende a acortar la vida útil total de la batería, matizan estos investigadores.
En el estudio se explica que la densidad de energía y la vida útil de las baterías de iones de litio (LIB) se determinan por la cantidad (o concentración) de iones de litio que el material del electrodo puede almacenar reversiblemente dentro de su estructura cristalina, así como por la duración (o cantidad de ciclos) durante los cuales la estructura cristalina permanece intacta.
Asimismo, subrayan que las baterías comerciales restringen la concentración de iones de litio (o vacantes) en los materiales del cátodo a un rango estable derivado empíricamente controlando el rango de voltaje de carga, lo que evita la degradación irreversible de la estructura cristalina debido a reacciones electroquímicas.
Hasta ahora, la degradación del rendimiento de la batería se atribuía principalmente a la sobrecarga. Sin embargo, esta explicación no contemplaba la degradación que se produce en condiciones de voltaje aparentemente estable. Este equipo se centró en el proceso de descarga (el funcionamiento real de la batería).
Descubrieron que, cuando una batería se usa durante largos periodos sin recargarse, se produce un fenómeno conocido como reacción de cuasi-conversión en la superficie del cátodo. Durante esta reacción, el oxígeno escapa de la superficie y se combina con el litio para formar óxido de litio (Li₂O) durante la descarga, especialmente alrededor de 3,0 V. Este compuesto reacciona aún más con el electrolito, generando gas y acelerando la degradación de la batería.
Como explican en su estudio, observaron que la reacción de cuasi-conversión era más severa en cátodos con alto contenido de níquel. Confirmaron que, cuando las baterías se utilizan hasta agotar la mayor parte de su capacidad, los efectos del proceso de degradación, incluida la hinchazón de la batería, se acentúan cada vez más.
Cabe destacar que el estudio también reveló una solución sencilla pero eficaz. El equipo prolongó significativamente la vida útil de la batería al optimizar el uso de la misma y evitar su descarga completa.
En experimentos con baterías con más del 90 % de níquel, aquellas con una descarga suficiente como para desencadenar la reacción de cuasi conversión conservaron solo el 3,8 % de su capacidad después de 250 ciclos, mientras que las baterías con uso controlado mantuvieron el 73,4 % de su capacidad incluso después de 300 ciclos.
El profesor Jihyun Hong, quien dirigió la investigación, afirma que «hasta ahora, el impacto de la descarga (el proceso mismo de uso de una batería) se ha pasado por alto en gran medida. Esta investigación representa una dirección importante para el desarrollo de baterías de mayor duración«.
Los Institutos coreanos para el Avance de la Tecnología (KIAT) y de Planificación y Evaluación de Tecnología Industrial (KEIT) financiaron este estudio.