Un equipo conformado por expertos de la Universidad de Cornell y la firma Charge CCCV (C4V) desarrolló un método de diagnóstico que permite observar en detalle los procesos desencadenados durante la fase de formación de las baterías. La información recogida resulta clave para reducir costos energéticos y de producción.
Las dificultades de la formación de baterías
Las baterías de iones de litio se encuentran entre los insumos más demandados por la industria tecnológica y de la movilidad eléctrica. Se trata de componentes cuya adaptabilidad les permite desempeñar funciones en la propulsión de vehículos eléctricos y en el almacenamiento de energía renovable; además, llegado el fin de su vida útil, brindan la posibilidad de aprovechar su potencial restante para nuevas aplicaciones.
Actualmente, su industria afronta elevados costos de fabricación y procesos lentos de producción, dos problemas que los investigadores de Cornell y C4V buscan resolver con su nueva técnica de diagnóstico en tiempo real que «mejora drásticamente una de las etapas más costosas y que más tiempo consume en la producción: la formación de la batería».
«Este proceso representa aproximadamente un tercio de los costos de producción y una cuarta parte del espacio de la fábrica», explicaron desde Cornell. A ello se suma que, en condiciones normales, evaluar el rendimiento de las baterías a largo plazo puede llevar meses o incluso años, «ya que la batería se somete a miles de ciclos de carga y descarga».
La etapa de formación de la batería consiste en la creación de capas protectoras en las interfaces de los electrodos, mediante sucesivos ciclos de carga y descarga de las celdas de litio. Estas capas son fundamentales para estabilizar las reacciones electroquímicas y determinar el rendimiento y la durabilidad de la batería.
Teniendo en cuenta estas dificultades, los investigadores se enfocaron en desarrollar una técnica para «reducir el tiempo de producción en más de la mitad, liberar espacio en la planta de producción» y disminuir el consumo energético total del fabricante entre un 10 % y un 15 %, lo que supondría un ahorro millonario para los fabricantes.
La técnica desarrollada y sus beneficios
La propuesta innovadora consistió en hallar una posibilidad de realizar mediciones en tiempo real para observar lo que sucede dentro de las baterías en el proceso de formación. El equipo, dirigido por Vibha Kalra, profesora de Ingeniería Química de Cornell, trabajó en la combinación de dos técnicas de análisis para el monitoreo.
A través de la «espectroscopía Raman operando» pudieron estudiar la composición química de los materiales mientras la batería se encontraba en funcionamiento; y mediante la «espectroscopía de impedancia electroquímica operando» observaron cambios en la resistencia eléctrica de las interfaces internas.
«Los investigadores descubrieron que una velocidad de carga más lenta era clave para crear una interfaz estable, lo que producía capas protectoras más uniformes y ricas en materiales inorgánicos», explicaron. Además, pudieron demostrar que el aumento de la velocidad de descarga podía acelerar el proceso general, y que las mediciones de resistencia se estabilizaban luego de 1,5 ciclos.
Las conclusiones fueron utilizadas para crear dos protocolos de fabricación acelerada: «Las pruebas demostraron que ambos mantenían un rendimiento comparable al del proceso convencional de la empresa C4V, a la vez que reducían el tiempo de formación hasta en un 60 %», detallaron. El resultado «podría tener implicancias significativas para liberar espacio en la planta de producción y reducir el inventario de productos en proceso».
Asimismo, la reducción del tiempo de formación a la mitad podría disminuir el consumo de energía entre un 10 % y un 15 %. «Para una fábrica que consume más de 10 GWh al año, la reducción podría suponer un ahorro de hasta US$100 millones en los costos de formación de las celdas», estimaron.
La investigación académica al servicio de la industria
La experiencia compartida entre la Universidad de Cornell y la firma C4V reflejó la importancia de que el mundo académico y la industria articulen esfuerzos para desarrollar soluciones que amplían el potencial y las ventajas de los recursos energéticos actuales.
«Los proyectos de investigación colaborativa entre el ámbito académico y la industria permiten que descubrimientos como este tengan un impacto mucho mayor», valoró al respecto Stan Whittingham, premio Nobel de Química 2019 y director de innovación del programa Energy Storage Engine de la NSF, que facilitó el acercamiento entre Cornell y C4V.
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