El secreto para una mayor vida útil de las baterías recargables podría residir en la aceptación de la diversidad. Nuevos modelos sobre cómo se degradan las celdas de iones de litio en un paquete muestran una manera de adaptar la carga a la capacidad de cada celda, de modo que las baterías de los vehículos eléctricos puedan soportar más ciclos de carga y evitar fallos.

La investigación, publicada el 5 de noviembre enTransacciones IEEE sobre Tecnología de Sistemas de ControlEsto demuestra cómo la gestión activa de la cantidad de corriente eléctrica que llega a cada celda de un paquete, en lugar de suministrar la carga de manera uniforme, puede minimizar el desgaste. Este enfoque permite que cada celda tenga una vida útil óptima y prolongada.

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

La mayoría de los esfuerzos previos para prolongar la vida útil de las baterías de los coches eléctricos se han centrado en mejorar el diseño, los materiales y la fabricación de las celdas individuales, partiendo de la premisa de que, como los eslabones de una cadena, el rendimiento de una batería depende de su celda más débil. El nuevo estudio parte de la premisa de que, si bien los eslabones débiles son inevitables —debido a imperfecciones de fabricación y a que algunas celdas se degradan más rápido que otras al estar expuestas a factores como el calor—, no tienen por qué provocar el fallo de toda la batería. La clave reside en adaptar las tasas de carga a la capacidad específica de cada celda para evitar su fallo.

«Si no se abordan adecuadamente, las heterogeneidades entre celdas pueden comprometer la vida útil, la salud y la seguridad de un paquete de baterías e inducir un mal funcionamiento prematuro», afirmó Onori, profesor adjunto de ingeniería de ciencias energéticas en la Escuela de Sostenibilidad Doerr de Stanford. «Nuestro enfoque iguala la energía en cada celda del paquete, llevando a todas las celdas al estado de carga final deseado de manera equilibrada y mejorando la vida útil del paquete».

Inspirados para construir una batería de un millón de millas

Parte del impulso para esta nueva investigación se remonta a un anuncio de Tesla, la compañía de automóviles eléctricos, en 2020, sobre su 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 que, al igual que la batería de iones de litio de un teléfono o computadora portátil antiguos, la batería del vehículo eléctrico tenga 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, que suele ser de ocho años o 100 000 millas. Si bien las baterías suelen durar más que su garantía, la confianza del consumidor en los vehículos eléctricos podría reforzarse si los costosos reemplazos de baterías se volvieran aún menos frecuentes. Una batería que conserve la carga tras miles de recargas también facilitaría la electrificación de los camiones de larga distancia y la adopción de los llamados sistemas de vehículo a red (V2G), en los que las baterías de los vehículos eléctricos almacenarían y distribuirían energía renovable a la red eléctrica.

“Más tarde se explicó que el concepto de batería de un millón de millas no se basaba en una nueva química, sino simplemente en una forma de operar la batería sin que utilizara toda su capacidad de carga”, dijo Onori. Las investigaciones relacionadas se han centrado en celdas individuales de iones de litio, que generalmente no pierden capacidad de carga tan rápidamente como los paquetes de baterías completos.

Intrigada, Onori y dos investigadores de su laboratorio —el investigador postdoctoral Vahid Azimi y el estudiante de doctorado Anirudh Allam— decidieron investigar cómo una gestión innovadora 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 en su interior durante su vida útil. Algunos de estos cambios se producen en cuestión de segundos o minutos; otros, a lo largo de meses o incluso años.

“Hasta donde sabemos, ningún estudio anterior ha utilizado el tipo de modelo de batería de alta fidelidad y con múltiples escalas temporales que hemos creado”, 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 aprovechando las diferencias entre sus celdas constituyentes. Onori y sus colegas prevén que su modelo se utilice en los próximos años para guiar el desarrollo de sistemas de gestión de baterías que puedan implementarse fácilmente en los diseños de vehículos existentes.

No solo los vehículos eléctricos se beneficiarán. Prácticamente cualquier aplicación que someta a la batería a un uso intensivo podría beneficiarse de una mejor gestión basada en los nuevos resultados, afirmó Onori. ¿Un ejemplo? Aeronaves tipo dron con despegue y aterrizaje vertical eléctrico, a veces llamadas eVTOL, que algunos emprendedores prevén que operen como taxis aéreos y presten otros servicios de movilidad aérea urbana durante la próxima década. Además, existen otras aplicaciones prometedoras para las baterías recargables de iones de litio, como 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”, dijo Onori. “Es importante que aprovechemos al máximo esta tecnología transformadora y sus futuras sucesoras”.