El secreto para una larga vida útil de las baterías recargables puede residir en aceptar la diferencia.Un nuevo modelo de cómo se degradan las celdas de iones de litio en un paquete muestra una manera de adaptar la carga a la capacidad de cada celda para que las baterías de vehículos eléctricos puedan manejar más ciclos de carga y evitar fallas.

La investigación, publicada el 5 de noviembre enTransacciones IEEE sobre tecnología de sistemas de control, muestra cómo gestionar activamente la cantidad de corriente eléctrica que fluye a cada celda de un paquete, en lugar de entregar la carga de manera uniforme, puede minimizar el desgaste.El enfoque permite efectivamente que cada célula viva su mejor y más larga vida.

Según la profesora de Stanford y autora principal del estudio, Simona Onori, las simulaciones iniciales sugieren que las baterías administradas con la nueva tecnología podrían soportar al menos un 20% más de ciclos de carga y descarga, incluso con cargas rápidas y frecuentes, lo que supone una tensión adicional para la batería.

La mayoría de los esfuerzos anteriores para prolongar la vida útil de las baterías de los automóviles eléctricos se han centrado en mejorar el diseño, los materiales y la fabricación de celdas individuales, basándose en la premisa de que, como eslabones de una cadena, un paquete de baterías es tan bueno como su celda más débil.El nuevo estudio comienza con el entendimiento de que, si bien los eslabones débiles son inevitables (debido a imperfecciones de fabricación y porque algunas células se degradan más rápido que otras al estar expuestas a tensiones como el calor), no tienen por qué derribar todo el paquete.La clave es adaptar las tasas de carga a la capacidad única de cada celda para evitar fallas.

"Si no se abordan adecuadamente, las heterogeneidades entre celdas pueden comprometer la longevidad, la salud y la seguridad de un paquete de baterías e inducir un mal funcionamiento temprano del paquete", dijo Onori, profesor asistente de ingeniería en ciencias energéticas en la Universidad Stanford Doerr. Escuela de Sostenibilidad."Nuestro enfoque iguala la energía en cada celda del paquete, llevando todas las células al estado de carga final objetivo de manera equilibrada y mejorando la longevidad del paquete".

Inspirado para construir una batería de un millón de millas

Parte del impulso para la nueva investigación se remonta a un anuncio de 2020 de Tesla, la compañía de automóviles eléctricos, sobre el trabajo en una “batería de un millón de millas”.Esta sería una batería capaz de alimentar un automóvil durante 1 millón de millas o más (con carga regular) antes de llegar al punto en el que, como la batería de iones de litio de un teléfono o computadora portátil viejo, la batería del vehículo eléctrico tiene muy poca carga para ser funcional. .

Una batería de este tipo superaría la garantía típica de los fabricantes de automóviles para baterías de vehículos eléctricos de ocho años o 100.000 millas.Aunque los paquetes de baterías habitualmente duran más que su garantía, la confianza del consumidor en los vehículos eléctricos podría verse reforzada si los costosos reemplazos de los paquetes de baterías se volvieran aún más raros.Una batería que aún pueda mantener la carga después de miles de recargas también podría facilitar el camino para la electrificación de los camiones de larga distancia y para la adopción de los llamados sistemas de vehículo a red, en los que las baterías de los vehículos eléctricos almacenarían y enviarían energía renovable para la red eléctrica.

"Más tarde se explicó que el concepto de batería de un millón de millas no era realmente una nueva química, sino simplemente una forma de operar la batería sin hacer que use el rango de carga completo", dijo Onori.Investigaciones relacionadas se han centrado en celdas individuales de iones de litio, que generalmente no pierden capacidad de carga tan rápido como lo hacen los paquetes de baterías completos.

Intrigados, Onori y dos investigadores de su laboratorio, el becario postdoctoral Vahid Azimi y el estudiante de doctorado Anirudh Allam, decidieron investigar cómo la gestión inventiva de los tipos de baterías existentes podría mejorar el rendimiento y la vida útil de un paquete de baterías completo, que puede contener cientos o miles de celdas. .

Un modelo de batería de alta fidelidad

Como primer paso, los investigadores crearon un modelo informático de alta fidelidad del comportamiento de la batería que representaba con precisión los cambios físicos y químicos que tienen lugar dentro de una batería durante su vida operativa.Algunos de estos cambios se desarrollan en cuestión de segundos o minutos, otros en meses o incluso años.

"Hasta donde sabemos, ningún estudio previo ha utilizado el tipo de modelo de batería de alta fidelidad y de múltiples escalas de tiempo que creamos", dijo Onori, director del Laboratorio de Control de Energía de Stanford.

Las simulaciones realizadas con el modelo sugirieron que un paquete de baterías moderno puede optimizarse y controlarse adoptando las diferencias entre las celdas que lo componen.Onori y sus colegas prevén que su modelo se utilice para guiar el desarrollo de sistemas de gestión de baterías en los próximos años que puedan implementarse fácilmente en diseños de vehículos existentes.

No son sólo los vehículos eléctricos los que se beneficiarán.Prácticamente cualquier aplicación que "estrese mucho la batería" podría ser una buena candidata para una mejor gestión informada por los nuevos resultados, dijo Onori.¿Un ejemplo?Aviones tipo drone con despegue y aterrizaje vertical eléctricos, a veces llamados eVTOL, que algunos empresarios esperan que funcionen como taxis aéreos y proporcionen otros servicios de movilidad aérea urbana durante la próxima década.Aún así, existen otras aplicaciones para las baterías recargables de iones de litio, incluida la aviación general y el almacenamiento a gran escala de energía renovable.

"Las baterías de iones de litio ya han cambiado el mundo de muchas maneras", afirmó Onori."Es importante que aprovechemos al máximo esta tecnología transformadora y sus sucesoras futuras".