Tecnología para alargar la vida útil de las baterías de litio

Las baterías, sobre todo las de Litio-ion (Li-ion), han revolucionado la forma en la que vivimos y trabajamos, permitiendo la portabilidad y eficiencia energética en dispositivos electrónicos de todo tipo. Alargar su vida útil es un reto importante al que se enfrenta la industria fabricante de estos dispositivos y especialmente para aquellas que requieren prestaciones exigentes como lo es la electromovilidad. 

Las baterías actuales sufren degradación con el uso, paso del tiempo y por la propia naturaleza de su tecnología, lo que supone que a medida que se cargan y descargan, pierden prestaciones y capacidad máxima de carga. Desde las perspectivas de eficiencia económica, seguridad y sostenibilidad, es necesario encontrar materiales y procesos que permitan aumentar la capacidad, seguridad y vida útil de las celdas de Litio-ion, combinar los avances de estos tres parámetros es un aspecto especialmente interesante para la industria fabricante de baterías.  

Las baterías actuales sufren degradación con el uso, paso del tiempo y por la propia naturaleza de su tecnología, lo que supone que a medida que se cargan y descargan, pierden prestaciones y capacidad máxima de carga. Desde las perspectivas de eficiencia económica, seguridad y sostenibilidad, es necesario encontrar materiales y procesos que permitan aumentar la capacidad, seguridad y vida útil de las celdas de Litio-ion, que permitan aumentar la capacidad, seguridad y vida útil de las celdas de Litio-ion, combinar los avances de estos tres parámetros es un aspecto especialmente interesante para la industria fabricante de baterías. Una vez detectado que la vida útil de una batería es afectada por factores externos como temperaturas extremas, tensión mecánica, exceso de energía durante el funcionamiento, envejecimiento y procesos degradativos internos. Estos procesos degradativos, se asocian en gran medida a diferentes fenómenos indeseados que tienen lugar en los materiales que componen la celda electroquímica. 

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En este sentido desde el Instituto Tecnológico de la Energía, ITE, trabajan en el proyecto “BATSENS” con el objetivo de poner en marcha nuevas estrategias para alargar la vida útil de baterías de Litio-ion, mediante el desarrollo de nuevos materiales más estables, la sensorización de los componentes en celda y el análisis Post-Mortem de las celdas (partes que conforman una batería).

¿Qué vida útil tiene una batería?

La vida útil de una batería de Li-ion puede variar bastante en función de las diferentes químicas que se emplean tanto en los componentes anódicos, como catódicos, es decir, los compuestos que componen los electrodos negativo y positivo de la celda. Por ejemplo, tal y como reporta la prestigiosa fundación Volta en el Battery report de 2023, el tiempo de vida útil de una celda electroquímica de Li-ion está comprendido entre 1000 y 2000 ciclos de carga y descarga antes de que su capacidad se reduzca hasta un 80%.

Alargar su vida útil

Hay varias razones importantes por las que es crucial alargar la vida útil de las baterías de Li-ion. La primera, de todas es la sostenibilidad ambiental: alargar su vida útil permitirá reducir la huella de carbono, ya que con baterías con una vida más extensa permitirán aumentar un rango más extenso en las cero emisiones en electromovilidad por la mayor durabilidad de la batería, y a su vez reducirá la necesidad de producir nuevas baterías, lo cual disminuye el impacto ambiental de la minería y fabricación de los componentes.

Una extensión de la vida útil también repercutirá en un ahorro económico. Reemplazar baterías con frecuencia puede ser costoso para los usuarios. Alargar la vida útil de las baterías permite ahorrar dinero a largo plazo, ya que se necesitan menos reemplazos y mejora la experiencia del usuario.

También otro factor importante es el aumento de la seguridad. Las baterías envejecidas o degradadas pueden volverse menos seguras y más propensas a fallos o incendios. Alargar la vida útil ayuda a mantener la seguridad de los dispositivos. Por último, producirá una extensión del rendimiento de la batería, ya que permitirá mantener un mejor rendimiento durante más tiempo, en términos de capacidad y seguridad.

Sebastián Llopis, responsable del proyecto Batsens, explica que alargar la vida útil de las baterías de Li-ion es crucial por razones ambientales, económicas, seguridad y rendimiento. “Esto beneficiará tanto a los usuarios como al medio ambiente a largo plazo”. 

Para saber qué estrategia es la más idónea para alargar la vida útil de una batería, es necesario saber qué procesos de degradación son los causantes de la disminución de los tiempos de vida en las baterías. “Si nos centramos en los procesos degradativos, normalmente suelen estar asociados a los materiales que componen una celda electroquímica. Para su identificación, es necesario la monitorización de la celda, con el objeto de mejorar el diseño de los materiales o el sistema de operación. Esta monitorización de las celdas deberá ser apoyada por un análisis Post-Mortem de los componentes de la celda que identifique y verifique el proceso degradativo que provoca la disminución del tiempo de vida de una batería”, añade Sebastián Llopis.

En el ITE se trabaja desde la perspectiva de los tres enfoques, por un lado, en el desarrollo de nuevos materiales con un ciclo de vida útil más amplio, centrándose en la mejora sostenible y económica de cátodos de alta densidad energética ricos en metales como el níquel, así como la mejora de las propiedades térmicas y mecánicas de los separadores poliméricos mediante la integración de aditivos. También se aborda la monitorización continua de la celda mediante la inclusión de sensores inteligentes en su interior, para, finalmente, implementar una metodología de análisis Post-Mortem de los distintos formatos de celdas de tipo Li-ion, permitiendo entender los mecanismos de degradación de las baterías, y así obtener la información necesaria para poder optimizar los procesos de producción de materiales, componentes y celdas según las necesidades de cada tipo de batería. 

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Así pues, el proyecto se centra en aplicaciones de Vehículo Eléctrico las cuales son mucho más exigentes que las aplicaciones estacionarias debido a que requieren materiales con mayor capacidad energética, es por ello  que se desarrollan dispositivos con nuevos materiales catódicos de elevada densidad energética teniendo en cuenta siempre la sostenibilidad en la producción de materiales y abordando la mejora de la estabilidad ante el ciclado de la celda y el aumento de la seguridad de la batería por la producción de membranas separadoras con elevada estabilidad mecánica y térmica.

Proyecto BATSENS “Estrategias para alargar la vida útil de baterías de litio basadas en nuevos materiales y sensorización de celdas”. Llevado a cabo por el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE+I), con número de expediente IMDEEA/2023/31, y con la cofinanciación de la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2021-2027