La exposición de los cátodos a la luz disminuye el tiempo de carga en un factor de dos en las baterías de iones de litio.
Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han informado sobre un nuevo mecanismo para acelerar la carga de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Simplemente exponiendo el cátodo a un haz de luz concentrada, por ejemplo, elluz blanca de una lámpara de xenón: reduce el tiempo de carga de la batería en un factor notable de dos o más. Si se comercializa, dicha tecnología podría cambiar el juego de los vehículos eléctricos.
Los propietarios de vehículos eléctricos son conscientes de la "ansiedad de alcance", ya que el nivel de carga es bajo o la ubicación de la estación de carga más cercana parece demasiado distante. La carga rápida sigue siendo un desafío crítico si tales vehículos alguna vez capturan un gran segmento delmercado de transporte: la carga de un automóvil eléctrico en vacío normalmente demora unas ocho horas.
Ahora existen estaciones especiales de sobrealimentación que logran una carga ultrarrápida de vehículos eléctricos mediante la entrega de una corriente mucho más alta a la batería. Sin embargo, pasar demasiada corriente en un tiempo demasiado corto degrada el rendimiento de la batería.
Normalmente, las baterías de iones de litio para vehículos se cargan lentamente para obtener una reacción electroquímica completa. Esta reacción implica eliminar el litio del cátodo de óxido e insertarlo en el ánodo de grafito.
"Queríamos acortar enormemente esta reacción de carga sin dañar los electrodos del flujo de corriente más alto resultante", dijo Christopher Johnson, miembro distinguido de Argonne y líder de grupo en la división de Ciencias Químicas e Ingeniería.
Las baterías de iones de litio de hoy funcionan en un estado oscuro, con los electrodos alojados en un estuche. La tecnología foto asistida de Argonne usaría un contenedor transparente que permite que la luz concentrada ilumine los electrodos de la batería durante la carga.
Para probar el proceso de carga, el equipo de investigación diseñó pequeñas celdas de iones de litio "celdas de monedas" con ventanas de cuarzo transparentes. Luego probaron estas células con y sin luz blanca que brilla a través de la ventana hacia el cátodo.
"Presumimos que, durante la carga, la luz blanca interactuaría favorablemente con el material típico del cátodo, y ese fue el caso en nuestras pruebas celulares", dijo Johnson. Ese material del cátodo es un óxido de litio y manganeso, abreviado como LiMn 2 O 4 LMO.
El ingrediente clave en esta reacción favorable es la interacción de la luz con el OVM, un material semiconductor que se sabe que interactúa con la luz. Mientras absorbe los fotones en la luz durante la carga, el elemento manganeso en el OVM cambia su estado de carga de trivalente a tetravalenteMinnesota 3+ a Mn 4+ .En respuesta, los iones de litio se expulsan más rápido del cátodo de lo que ocurriría sin el proceso de excitación de fotones.
Esta condición impulsa la reacción de la batería más rápido. El equipo descubrió que la reacción más rápida resultó en una carga más rápida sin degradar el rendimiento de la batería o la vida útil del ciclo. "Nuestras pruebas celulares mostraron un factor de dos disminución en el tiempo de carga con la luz encendida", Johnsondijo.
El equipo de investigación realizó este trabajo como parte del Centro de Ciencias de la Energía Electroquímica CEES, un Centro de Investigación de la Frontera Energética del DOE EFRC dirigido por Argonne.
"Esta investigación es un gran ejemplo de cómo el objetivo del CEES de comprender los procesos de los electrodos en las baterías de iones de litio está permitiendo avances fundamentales que influyen en la tecnología", dijo Paul Fenter, Director del CEES y físico senior en la división de Ciencias Químicas e Ingeniería."Esto es emblemático de los impactos transformacionales que puede lograr el programa EFRC".
Johnson agregó que, "Este hallazgo es el primero de su tipo mediante el cual se fusionan las tecnologías de luz y batería, y esta intersección es un buen augurio para el futuro de conceptos innovadores de carga para baterías".
La Oficina de Tecnologías de Vehículos de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE ha identificado la carga rápida como un desafío crítico para garantizar la adopción masiva de vehículos eléctricos con un objetivo de tiempo de recarga de 15 minutos, y esta investigación podría ser clave parahaciendo esto posible
Esta investigación apareció en Comunicaciones de la naturaleza , titulado "Carga rápida foto-acelerada de baterías de iones de litio". Además de Johnson, otros contribuyentes de Argonne son Anna Lee, Márton Vörös, Wesley M. Dose, Jens Niklas, Oleg Poluektov, Richard D. Schaller, Hakim Iddir, Victor A. Maroni, Eungje Lee, Brian Ingram y Larry A. Curtiss.
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE y se realizó, en parte, en el Centro de Materiales a Nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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