Baterías avanzadas de litio ion con ánodo de grafito/siliciocaracterización y propuesta de metodologías de carga

Resumen

El principal objetivo de la presente tesis doctoral es el estudio de la nueva tecnología de baterías de litio-ion, con cátodo NMC rico en níquel y ánodo de grafito-silicio (NMC/Si-Gr). Se trata de una de las tecnologías de baterías más prometedoras de cara a los próximos años, ya que posee una energía específica superior al resto, por lo que sería deseable su incorporación en la próxima generación de vehículos eléctricos. Sin embargo, antes hay que resolver uno de sus principales inconvenientes, una vida cíclica relativamente corta bajo determinadas condiciones de trabajo. Las celdas basadas en tecnología NMC/Si-Gr pueden degradarse con rapidez si no se usan de una forma correcta. Los electrodos basados en silicio experimentan notables deformaciones cuando se cargan o se descargan, debido a la expansión y contracción del silicio cuando interactúa con iones litio. Y, aunque la investigación está avanzando en los últimos años en la identificación y caracterización de los procesos que provocan la degradación, todavía hay muy pocos estudios a largo plazo en celdas comerciales. Otro de los aspectos fundamentales para los vehículos eléctricos es la posibilidad de carga rápida. En cambio, los métodos de carga estándar que recomiendan los fabricantes de celdas de la tecnología NMC/Si-Gr implican tiempos de carga elevados. Además, no se dispone de información sobre la reducción en la vida cíclica que podría provocar la aplicación de corrientes de carga altas. Por ello, resulta necesario avanzar en la investigación del proceso de carga en la tecnología NMC/Si-Gr, así como en el diseño de nuevas estrategias de carga que posibiliten reducir el tiempo sin afectar negativamente a la vida de servicio. Para resolver esta problemática, en la tesis doctoral se caracteriza a la tecnología NMC/Si-Gr a partir del análisis detallado del comportamiento de dos modelos de celdas comerciales (fabricantes LG y Samsung) ante condiciones variadas de trabajo, incluyendo perfiles de descarga representativos del consumo en vehículos eléctrico; los tests realizados contemplan ensayos de vida cíclica y de calendar. Por su parte, los resultados experimentales obtenidos se analizan desde distintos puntos de vista: comportamiento térmico, eficiencias, diagramas de Ragone, técnicas de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), etc. Como resultado del análisis, se identifican los parámetros de uso que inducen una mayor degradación en la tecnología NMC/Si-Gr. Entre los parámetros que provocan una mayor reducción en la vida de servicio de estas celdas destaca la aplicación de corrientes altas de carga, especialmente en aquellos estados de carga donde el silicio se encuentra activo, ya que induce una importante degradación en el electrodo negativo. Por ello, en esta tesis doctoral se ha dedicado un apartado específico al análisis del proceso de carga en la tecnología NMC/Si-Gr, que ha servido de base al desarrollo de estrategias optimizadas de carga que se adaptan a los requerimientos de la aplicación (minimizar el tiempo de recarga asumiendo una reducción en la vida de servicio o bien reducir en lo posible el tiempo de recarga manteniendo la vida de servicio prevista). Asimismo, se propone un método de carga que optimiza el binomio tiempo de carga-vida cíclica. Por último, el estudio realizado en la tesis doctoral, que destaca los puntos fuertes y débiles de la tecnología NMC/Si-Gr, define las condiciones de trabajo óptimas para esta nueva tecnología, y plantea las líneas de mejora en las que debería centrarse la investigación en desarrollos futuros.