En invierno, uno de los mayores quebraderos de cabeza para los propietarios de vehículos de energías renovables es la reducción de la autonomía tras una carga completa; los dispositivos de almacenamiento de energía para exteriores tienen dificultades incluso para garantizar un suministro eléctrico básico.
Esto no es un "envejecimiento" de la batería ni un problema de calidad, sino más bien una "reacción normal" de las baterías de litio en entornos de baja temperatura: las bajas temperaturas provocan directamente la degradación de la capacidad y la disminución del rendimiento de las baterías de litio.
Para comprender el principio de degradación de la batería, primero vamos a entender brevemente la lógica de funcionamiento de una batería de litio.
La clave de la capacidad de una batería de litio para proporcionar energía reside en el “proceso de transporte de iones de litio”:
Durante la carga, los iones de litio (Li⁺) se desplazan desde el electrodo positivo al negativo, donde se almacenan en el electrodo negativo de grafito. Durante la descarga, estos iones de litio regresan del electrodo negativo al positivo. En este recorrido, fluyen electrones, generando corriente y alimentando el dispositivo. Todo el proceso es como un grupo de diligentes "transportadores" que van y vienen para transferir energía, con el electrolito actuando como su "canal de transporte" y los electrodos como sus "estaciones de transferencia".“
En condiciones normales (temperatura ambiente de 20 a 25 °C), estos "portadores" están llenos de energía y se mueven con fluidez, lo que permite que la batería suministre energía de forma estable. Sin embargo, cuando la temperatura desciende, especialmente por debajo de 0 °C, los "portadores" se ralentizan o incluso dejan de funcionar, lo cual es la principal causa de la degradación de la batería.
Principios básicos: Tres desafíos de las baterías de iones de litio a bajas temperaturas
Desafío 1: Congelación de electrolitos, bloqueo de los canales de transporte
El electrolito es el "canal de transporte" de los iones de litio, equivalente a los "vasos sanguíneos" de una batería de litio. Su fluidez determina directamente la velocidad de migración de estos iones. La viscosidad del electrolito aumenta bruscamente al disminuir la temperatura, al igual que el agua se espesa y se congela con el frío. A bajas temperaturas, el electrolito se vuelve viscoso, llegando incluso a solidificarse parcialmente, lo que reduce significativamente la velocidad de conducción iónica y, en algunos casos, puede "bloquear" completamente los canales.
Es como si una carretera ancha y lisa se convirtiera de repente en un camino embarrado; los "transportadores" (iones de litio) tienen dificultades para moverse, su eficiencia se reduce considerablemente y la producción de energía de la batería disminuye naturalmente.
Desafío 2: Los iones de litio se vuelven inactivos, lo que dificulta la entrada y salida de las estaciones de transferencia.
Los electrodos positivo y negativo de una batería de litio funcionan como "estaciones de transferencia" para los iones de litio. Durante la carga, los iones de litio deben insertarse en el electrodo negativo, y durante la descarga, deben extraerse de él. Este proceso requiere superar una cierta "resistencia", comúnmente conocida como "impedancia de transferencia de carga". Según la ecuación de Arrhenius, cuanto menor sea la temperatura, menor será la velocidad de reacción química y menor la eficiencia de inserción y extracción de iones de litio, lo que resulta en un aumento significativo de la impedancia de transferencia de carga. En resumen, las bajas temperaturas hacen que los iones de litio se vuelvan "perezosos"; incluso si los canales no están completamente bloqueados, no están dispuestos a esforzarse para entrar o salir de la "estación de transferencia", lo que provoca que algunos iones de litio no puedan participar en la transferencia de energía, reduciendo así la capacidad de la batería.
Desafío 3: La película SEI se “espesa” y pueden crecer “dendritas peligrosas”.
Durante la primera carga de una batería de litio, se forma una fina capa de interfase de electrolito sólido (SEI) en la superficie del electrodo negativo. Esta capa actúa como un escudo protector, impidiendo que el electrolito reaccione con el electrodo negativo y permitiendo el paso fluido de los iones de litio, lo cual es crucial para la vida útil de la batería. Sin embargo, las bajas temperaturas pueden dañar este escudo protector: por un lado, reducen la estabilidad de la capa SEI, provocando la rotura de algunos componentes y aumentando la resistencia al paso de los iones de litio; por otro lado, durante la carga a baja temperatura, la velocidad a la que los iones de litio se incrustan en el electrodo negativo no puede seguir el ritmo de la deposición, y el exceso de iones de litio precipita litio metálico en la superficie del electrodo negativo, formando dendritas de litio. Simultáneamente, los productos de la reacción entre el litio y el electrolito se depositan en la capa SEI, engrosándola y dificultando aún más el transporte de iones de litio. Aún más peligroso es que las dendritas de litio seguirán creciendo y, una vez que atraviesen la capa SEI y el separador de la batería, provocarán un cortocircuito directo entre los electrodos positivo y negativo, lo que causará sobrecalentamiento, hinchazón e incluso combustión o explosión de la batería. Esta es la razón principal de los riesgos de seguridad de la carga a baja temperatura. Además, el engrosamiento de la capa SEI es irreversible. El uso prolongado en entornos de baja temperatura acortará significativamente la vida útil de la batería: una batería que originalmente podía realizar 1000 ciclos, con un uso prolongado a baja temperatura, solo podrá realizar unos 500, entrando prematuramente en su "periodo de envejecimiento".“
Distinción clave: Degradación a bajas temperaturas: ¿reversible o irreversible?
A muchas personas les preocupa que el rápido agotamiento de la batería en invierno pueda dañarla permanentemente. No hay motivo para alarmarse. La degradación de las baterías de litio causada por las bajas temperaturas se divide en dos categorías: degradación reversible e irreversible, que son significativamente diferentes.
La degradación reversible es el tipo más común, causada principalmente por las bajas temperaturas que aumentan la viscosidad del electrolito, ralentizan la migración de iones de litio y aumentan la resistencia a la transferencia de carga. Este tipo de degradación es como una "hibernación"; simplemente trasladar la batería a temperatura ambiente (20-25 °C) y dejarla reposar durante un tiempo permite que el electrolito recupere su fluidez, los iones de litio su actividad y la capacidad y el rendimiento de la batería vuelvan prácticamente a la normalidad, sin afectar su vida útil.
Por otro lado, la degradación irreversible se debe principalmente a ciclos prolongados de carga y descarga a bajas temperaturas, lo que provoca un engrosamiento excesivo de la capa SEI, el crecimiento de dendritas de litio o la descomposición irreversible del electrolito. Este tipo de degradación es permanente, como si la batería estuviera dañada. Incluso después de volver a temperatura ambiente, la capacidad no se recupera por completo y, con el tiempo, acelera el envejecimiento de la batería.
