- Al cambiar las condiciones de la primera carga, la etapa final de fabricación de la batería, la vida útil promedio aumentó 50% y el tiempo de carga inicial se redujo de 10 horas a 20 minutos
- Esta etapa es el proceso de formation en el que se crea la capa protectora SEI sobre la superficie del ánodo, y tiene un gran impacto en el rendimiento de carga y descarga posterior y en la velocidad de degradación
- En un análisis científico con machine learning, las condiciones de temperatura y corriente en la primera carga se identificaron como variables clave, y la carga de alta corriente elevó la inactivación inicial de litio de cerca de 9% a alrededor de 30%
- Aunque una pérdida inicial mayor de litio puede parecer una desventaja a corto plazo, crea espacio disponible en el cátodo y hace más eficiente el ciclo posterior de los electrodos
- Las prácticas de fabricación que favorecían una primera carga de baja corriente podrían reconsiderarse para optimizar al mismo tiempo la vida útil y la eficiencia de fabricación
La primera carga cambia la vida útil y el tiempo de fabricación
- La primera carga de una batería de ion-litio determina qué tan estable funcionará después y cuántos ciclos de carga y descarga podrá soportar antes de degradarse
- Un equipo del SLAC-Stanford Battery Center confirmó en un estudio publicado en Joule que, al cargar por primera vez una batería nueva con una corriente inusualmente alta, la vida útil promedio aumentó 50%
- Bajo las mismas condiciones, el tiempo de carga inicial se redujo de las 10 horas habituales a 20 minutos
- El estudio fue liderado por el equipo de SLAC/Stanford, con participación de investigadores del Toyota Research Institute (TRI), MIT y la University of Washington
La etapa de formation donde se crea la capa protectora SEI
- El equipo de investigación fabricó celdas tipo pouch en las que el cátodo y el ánodo están rodeados por una solución electrolítica, para observar los cambios que ocurren en los ciclos iniciales
- Cuando la batería se carga, los iones de litio se desplazan hacia el ánodo para almacenarse, y cuando se descarga regresan al cátodo, generando el flujo de electrones
- El cátodo de una batería nueva comienza inicialmente 100% lleno de litio, y con la repetición de ciclos de carga y descarga parte de ese litio se va inactivando
- Parte de esa pérdida inicial de litio se usa para formar una capa blanda llamada solid electrolyte interphase (SEI) sobre la superficie del ánodo
- La SEI protege al ánodo de reacciones secundarias
- Las reacciones secundarias pueden acelerar la pérdida de litio y degradar la batería más rápido
- La primera carga es la formation, la última etapa del proceso de fabricación, y si falla, se desperdicia el valor y el esfuerzo invertidos en la batería hasta ese momento
Diferencia entre la práctica de baja corriente y el experimento de alta corriente
- Por lo general, los fabricantes han realizado la primera carga de baterías nuevas con baja corriente, bajo la idea de que así se forma la capa SEI más robusta
- La carga de baja corriente toma mucho tiempo, es costosa y no siempre conduce al mejor resultado
- Estudios recientes mostraron que cargar rápidamente con corrientes más altas no necesariamente deteriora el rendimiento de la batería, y este estudio profundiza en las razones
- En la primera carga intervienen decenas de variables relacionadas con la formación de la SEI, por lo que es difícil probar en laboratorio todas las combinaciones posibles
El machine learning reduce las variables clave a temperatura y corriente
- El equipo utilizó machine learning científico para encontrar las variables más importantes para obtener buenos resultados
- Entre muchas variables, la temperatura y la corriente de carga aparecieron como las dos con mayor impacto
- La primera carga con alta corriente produjo un efecto claro: aumentó en 50% la vida útil promedio de las baterías de prueba
- Las condiciones de alta corriente elevaron la tasa de inactivación inicial de litio desde alrededor de 9% con el método convencional hasta cerca de 30%, pero ese cambio terminó mejorando el rendimiento
Cómo una mayor pérdida inicial mejora la eficiencia posterior
- La estrategia de inactivar más iones de litio al inicio se compara con sacar un poco de agua de un balde lleno antes de moverlo
- Así como el agua salpica menos cuando el balde tiene espacio libre, inactivar más litio durante la formación de la SEI crea espacio disponible en el cátodo
- Ese espacio ayuda a que los electrodos funcionen de forma más eficiente en ciclos posteriores y mejora el rendimiento subsiguiente
- Más allá de encontrar condiciones para fabricar una buena batería, es importante entender cómo funcionan esas condiciones para poder aplicarlas con mayor facilidad al proceso de fabricación
- Esa comprensión es necesaria para volver a equilibrar la relación entre rendimiento de la batería y eficiencia de fabricación
Posible camino hacia la optimización del proceso de fabricación
- La fabricación de baterías es un proceso intensivo en capital, energía y tiempo, y poner en marcha una nueva línea de producción también lleva mucho tiempo
- Además, hay muchas variables de proceso, lo que dificulta encontrar las condiciones óptimas
- Estos resultados presentan un enfoque generalizable para entender y optimizar la primera carga, una etapa clave en la fabricación de baterías
- Desde TRI señalaron la posibilidad de transferir lo aprendido en esta investigación a futuros procesos, instalaciones, equipos y químicas de batería nuevas
- La investigación fue financiada a través del programa Accelerated Materials Design and Discovery del Toyota Research Institute
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Habiendo trabajado un poco en la industria, soy algo escéptico con este estudio. Si esto fuera cierto, en investigaciones o experimentos anteriores con condiciones de carga inicial distintas se habría visto un mejor desempeño frente a la degradación, y definitivamente he visto casos de ese tipo.
Además, habría que ver cuánto cambia la impedancia de la celda esa interfase de electrolito sólido (SEI) aumentada, y cómo reduce después la velocidad de carga y la capacidad utilizable.
Lo que se observó de forma común en todas las químicas de ion-litio y polímero de litio es que, si se descarga profundamente por debajo del 60%, los ciclos de carga utilizables bajan de 8000 a menos de 2000; que las descargas de alta corriente o la carga rápida aceleran la pérdida de capacidad alrededor de un 15% anual; y que los cortocircuitos por fallas de dendritas dañan la celda y elevan tanto la resistencia interna como la tasa de autodescarga.
Si esta técnica funciona en todas las químicas de celda, sería un resultado bastante sorprendente.
https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
Dice algo como: “Extraer más iones de litio al principio es parecido a sacar un poco de agua de una cubeta llena antes de cargarla. Si hay más espacio vacío, el agua salpica menos durante el traslado. De manera similar, desactivar más iones de litio durante la formación de la SEI deja espacio libre en el electrodo positivo, lo que permite que el electrodo circule de forma más eficiente y mejore el rendimiento posterior”, pero la explicación no parece muy sólida.
Si también se confirma en la etapa de producción, sería un descubrimiento realmente genial. Resulta que era una variable de proceso escondida a plena vista.
Se ven con bastante frecuencia artículos que dicen que con medidas simples se puede aumentar mucho la vida útil de las baterías, pero salvo usos muy específicos, casi nunca se aplican en la práctica.
Normalmente se opta por mantener la misma vida útil y aumentar la densidad energética. Las celdas de ion-litio de alto voltaje (con voltaje de fin de carga superior a 4.2 V) son un ejemplo: si se cargaran solo hasta 4.2 V durarían mucho más que los tipos anteriores, pero los fabricantes suelen publicitarlas a 4.3 V, 4.35 V e incluso 4.4 V, destacando la capacidad adicional que eso aporta.
En resumen, durante el proceso inicial de carga de formación de la batería, parte del litio se desactiva y forma alrededor del electrodo negativo una capa protectora blanda llamada interfase de electrolito sólido (SEI).
Actualmente, los fabricantes suelen hacer una carga de formación lenta, durante la cual alrededor del 9% del litio desaparece en la SEI. Se creía que esto era necesario para crear una capa resistente, pero en este estudio, con una corriente inicial de carga más alta, el 30% pasó a formar parte de la SEI.
Es decir, para una misma cantidad de litio se pierde algo de capacidad de la batería, pero la capa protectora del electrodo se vuelve más gruesa, lo que mejora la vida útil en ciclos de carga posteriores.
Alguna vez reviví una batería de litio demasiado descargada que ya no cargaba, conectándola por unos segundos a una batería completamente cargada.
Literalmente es una jugada de “me arriesgo y veo si pega”.
Si una buena capa SEI sobre el electrodo es importante, ¿no se podría aplicar esa capa al electrodo antes de ensamblar la batería? Así incluso se podría lograr una forma más uniforme de la capa.
Me confunde qué significa exactamente vida útil de la batería. ¿Es degradación de capacidad o fallas aleatorias?
Si este hallazgo retrasa la degradación de capacidad pero multiplica por 100 la probabilidad de que la batería de un auto eléctrico falle de repente, entonces no es una mejora en términos de costo. Aunque quizá esté bien para dispositivos de consumo.
Si mantienes las cargas y descargas dentro del rango 80/20, la vida útil de la batería queda limitada principalmente por la vida en almacenamiento. Por ejemplo, si mantienes un Nissan Leaf entre 20% y 80% de carga, probablemente pueda durar 20 años, pero si cada vez lo cargas al 100% con carga rápida DC, es muy probable que solo aguante 2000 ciclos, unos 5 a 7 años.
Estoy confundido: ¿esto es solo una predicción o fue verificado experimentalmente?
Recuerdo haber visto un paper reciente en el que duplicar la corriente, pero cargando con una onda cuadrada de 2 kHz, hacía que la degradación de la batería prácticamente desapareciera.
2021: carga por pulsos de baja frecuencia https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/451327786/C5.pdf
2024: carga por pulsos de alta frecuencia https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202400190
No estoy en condiciones de leerlos bien ahora, pero es un campo de investigación bastante interesante.
Como cuando la electricidad de alto voltaje graba la madera, parece que se está quemando una microestructura para hacerla más estable frente a la formación de filamentos.
En resumen, la corriente alta hace que la capa sobre el electrodo negativo se forme un poco distinto y, obviamente, más rápido. Antes se creía que una carga inicial lenta producía una mejor formación.
Esto parece más una mejora incremental por ajuste del proceso que un descubrimiento fundamental.
Aunque, desde una mirada conspirativa, creo que a muchos fabricantes de electrónica de consumo no les gustaría. La menor capacidad de la batería seguramente es un factor importante que empuja los ciclos de reemplazo.
Hoy en día, por lo general, después de unos 2 o 3 años se empieza a notar la degradación de la capacidad de la batería del teléfono. Sabes que el teléfono en sí funciona bien, que no necesitas necesariamente las funciones del modelo más nuevo y que podrías cambiar solo la batería, pero a veces piensas: “si voy a cambiar la batería, mejor compro un teléfono nuevo”.
Si la batería durara un 50% más, casi no habría ocasiones para usar la reducción de capacidad de la batería como excusa para actualizar.