Investigadores descubren que una «presión constante» puede duplicar la vida útil de las baterías de litio
Durante décadas, los esfuerzos por mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio se han centrado en modificar la composición química de los electrodos, desarrollar nuevos electrolitos o explorar materiales alternativos.
Sin embargo, un equipo de investigadores liderado por la Universidad de Cambridge demostró que la clave para alargar sustancialmente la vida útil de estos acumuladores podría residir en un factor mucho más sencillo: la presión física constante.
El estudio, publicado en la prestigiosa revista Nature Energy bajo el título «The interplay between stack pressure, mechanical expansion and degradation pathways in lithium-ion batteries«, revela que mantener una presión uniforme y constante sobre las celdas durante los ciclos de carga y descarga puede duplicar su vida útil.
Este nivel de mejora resulta excepcional en el campo del desarrollo de baterías, donde las modificaciones en la composición suelen traducirse en ganancias de apenas 5% a 10%.
El profesor Michael De Volder, del Departamento de Ingeniería de Cambridge y codirector de la investigación, explicó el enfoque de su equipo: «Gran parte del trabajo para mejorar las baterías de iones de litio lo realizan químicos y físicos, pero como ingeniero mecánico, también quise investigar el papel que juega la mecánica».
Esta perspectiva interdisciplinaria permitió abordar un problema que había permanecido en un segundo plano: la expansión y contracción física que experimentan las baterías durante su funcionamiento.
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El mecanismo detrás del descubrimiento
Para comprender el fenómeno, es necesario recordar que una batería de iones de litio está compuesta, en esencia, por un ánodo, un cátodo y un electrolito. Durante cada ciclo de carga y descarga, los iones de litio viajan del ánodo al cátodo y viceversa, lo que provoca que la batería se expanda y contraiga físicamente de manera similar a un proceso de respiración.
«A las baterías no les suele gustar este ciclo de estrés y liberación», señaló De Volder. Este movimiento constante genera tensiones mecánicas que, con el tiempo, aceleran los procesos de degradación y acortan la vida útil del dispositivo.
Para estudiar este efecto, los investigadores construyeron un dispositivo personalizado que aplica presión sobre un tipo de celda conocido como pouch cell (celda de bolsa) utilizando «fuelles» neumáticos: pequeños cojines inflados con aire que actúan como una abrazadera autoajustable.
Estos fuelles mantienen una presión continua mientras un sensor monitorea los minúsculos cambios de volumen que ocurren durante la carga y descarga.
Lo más destacable del enfoque de Cambridge es que los investigadores no modificaron en absoluto la química interna de las celdas. «Compramos baterías comerciales y las probamos para medir su vida útil bajo diferentes presiones», explicó De Volder. «No tuvimos que cambiar nada de su electrolito ni de la composición de sus electrodos».
La zona de Ricitos de Oro: 12,5 bares
Uno de los hallazgos más relevantes del estudio es que la presión no puede ser ni demasiado alta ni demasiado baja. Los investigadores identificaron una «zona de Ricitos de Oro» (Goldilocks zone) en torno a los 12,5 bares de presión constante. Esta cifra equivale aproximadamente a cuatro veces la presión estándar que se aplica en las celdas de botón convencionales.
Fuera de este rango óptimo, las baterías fallan más rápidamente. El estudio demuestra que diferentes mecanismos de degradación emergen fuera de la ventana de presión óptima: una presión baja acelera el agrietamiento del cátodo, mientras que una presión alta promueve la formación de litio metálico (lithium plating) en el ánodo.
«Si presionas demasiado fuerte, el ánodo no es feliz. Si no presionas lo suficiente, el cátodo comienza a degradarse», resumió De Volder. «Nuestros experimentos identificaron cuál es el ‘lugar feliz’ para las baterías en lo que respecta a la presión».
Los resultados obtenidos con celdas de grafito ‖ LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂ (NMC811), una química de batería de gran relevancia industrial, confirman que duplicar la presión inicial sobre los valores típicos permite duplicar la vida útil de las celdas sin alterar los materiales activos ni los electrolitos.
Implicaciones para la industria y el medio ambiente
Los hallazgos, aunque aún en fase de laboratorio, podrían tener importantes implicaciones para el mercado de vehículos eléctricos, que experimenta un crecimiento acelerado.
La capacidad de duplicar la vida útil de las baterías no solo beneficiaría a los propietarios de vehículos, sino que tendría un impacto significativo en el mercado de segunda mano, donde la longevidad de la batería es un factor determinante para la revalorización del vehículo.
La tecnología requerirá un proceso de escalado para su aplicación en baterías comerciales. Sin embargo, la Universidad de Cambridge ya dio un paso clave en esta dirección: Cambridge Enterprise, la oficina de transferencia de tecnología de la universidad, presentó una patente para proteger la invención.
El estudio sugiere que muchas baterías de iones de litio operan actualmente en condiciones de presión subóptimas, lo que acorta su vida útil de manera innecesaria. La optimización de la presión de apilamiento (stack pressure) se presenta así como una solución práctica para aumentar la estabilidad de ciclo de las baterías sin necesidad de rediseñar su química interna.
Los investigadores identifican que diferentes mecanismos de degradación están acoplados a factores mecánicos y electroquímicos, y que la presión óptima puede prevenir tanto el agrietamiento del cátodo como la formación de depósitos metálicos en el ánodo.
Este conocimiento abre la puerta a nuevos diseños de sistemas de sujeción para paquetes de baterías que mantengan la presión constante a lo largo de toda la vida útil del dispositivo.
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