Las baterías recargables son excelentes para almacenar energía y alimentar dispositivos electrónicos, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos. Sin embargo, en ambientes más fríos, puede resultar más difícil cargarlos y pueden incendiarse.
Soy un profesor de ingeniería mecánica interesado en las baterías desde la universidad. Ahora dirijo un grupo de investigación sobre baterías en la Universidad de Drexel.
Tan solo en la última década, he visto caer el precio de las baterías de iones de litio a medida que el mercado de productos se ha vuelto mucho más grande. Las previsiones futuras sugieren que el mercado podría alcanzar miles de GWh al año en 2030, un aumento significativo.
Pero las baterías de iones de litio no son perfectas: este crecimiento 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 conecta su automóvil eléctrico o teléfono, la electricidad suministrada por el tomacorriente mueve 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 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 se transfieren nuevamente al electrodo positivo y la electricidad resultante alimenta 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, pueden almacenar una cantidad de carga mucho mayor que una batería AA o AAA.
Dado que el litio es el metal más liviano, tiene una capacidad específica alta, lo que significa que puede contener una gran 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 vehículos de transporte con peso o volumen limitado, como los coches eléctricos.
Fuego de batería
Sin embargo, las baterías de iones de litio tienen un riesgo que las baterías AA o AAA no tienen. Por un lado, es más probable que se incendien. Por ejemplo, el número de incendios de baterías de bicicletas eléctricas reportados en la ciudad de Nueva York ha aumentado de 30 a casi 300 en los últimos cinco años.
Hay muchos problemas diferentes que pueden provocar un incendio en la batería. Las celdas mal fabricadas pueden contener defectos, como complicaciones o partículas que quedan en el proceso de fabricación, lo que aumenta el riesgo de fallas internas.
El clima también puede afectar el funcionamiento de la batería. Las ventas de vehículos eléctricos han aumentado en Estados Unidos, especialmente en regiones más frías como el noreste y el medio oeste, donde las bajas temperaturas pueden inhibir el rendimiento de la batería.
Las baterías contienen fluidos llamados electrolitos y las temperaturas más frías hacen que el fluido fluya más lentamente. Por lo tanto, los electrolitos de las baterías se vuelven lentos y fríos, lo que hace que los iones de litio del interior se muevan lentamente. Esta baja velocidad puede impedir que los iones de litio entren correctamente en los electrodos. En cambio, pueden depositarse en la superficie del electrodo y formar litio metálico.
Si se acumula demasiado litio en la superficie del electrodo durante la carga, puede provocar un cortocircuito interno. Este proceso puede provocar un incendio en la batería.
Hacer baterías seguras
Mi grupo de investigación, junto con muchos otros, está estudiando cómo fabricar baterías que funcionen de manera más eficiente en el frío.
Por ejemplo, los investigadores buscan reemplazar el electrolito de batería habitual y reemplazarlo por un electrolito alternativo que no se derrita a temperaturas frías. Otra posible opción es calentar la batería antes de cargarla para que el proceso de carga se realice a una temperatura más cálida.
Mi grupo también está investigando nuevos tipos de baterías más allá de las de iones de litio. Estos pueden ser tipos de baterías que son más estables en un amplio rango de temperaturas, tipos que ni siquiera usan electrolito líquido o baterías que usan sodio en lugar de litio. Las baterías de iones de sodio pueden funcionar bien y costar menos, ya que el sodio es un recurso muy abundante.
Las baterías de estado sólido utilizan electrolitos sólidos que no son inflamables, lo que reduce el riesgo de incendio. Pero estas baterías no funcionan tan bien como las de iones de litio, por lo que se necesita más investigación para saber si son una buena opción.
Las baterías de iones de litio impulsan tecnologías que se utilizan todos los días en todo el país, y el objetivo de la investigación en estas áreas es encontrar soluciones que hagan que esta tecnología sea aún más segura para los consumidores.
Este artículo se republica en The Conversation, una organización de noticias independiente sin fines de lucro que le brinda datos y análisis confiables para ayudarlo a comprender nuestro complejo mundo. Escrito por: Wesley Chang, Universidad de Drexel
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Wesley Chang recibe financiación de Solid Energy Systems, AC, Electric Power Research Institute, Drexel University. Wesley Chang es consultor de la Sociedad Electroquímica.
