Modelización de las baterías de ion-litio de nueva generación
Las baterías son portátiles, tienen una eficiencia de conversión energética elevada y no emiten gases. Ofrecen posibilidades especialmente interesantes para dos de las aplicaciones de almacenamiento de energía más importantes: vehículos eléctricos y la tecnología de red inteligente. Las baterías de ion-Li tienen una densidad de almacenamiento de energía más elevada que cualquier otra tecnología de baterías recargables. Con el fin de permitir las aplicaciones a gran escala deseadas, el uso de electrodos de composite de litio podría ser la respuesta, por sus capacidades específicas excepcionales. Sin embargo, la amplia expansión-contracción que se produce durante el ciclo de carga y descarga podría dar lugar a fallos rápidamente. Actualmente, los fabricantes de baterías de ion-litio de Asia y Estados Unidos cuentan con una ventaja competitiva clara frente a los de la Unión Europea. Un grupo de científicos ha desarrollado modelos teóricos y computacionales de los materiales y procesos en distintos escalas con el fin de ayudar a resolver esta situación, gracias a la financiación de la Unión Europea para el proyecto LISF (Mechanics of energy storage materials: Swelling and fracturing in lithium ion batteries electrodes during charging/discharging cycles). Los investigadores introdujeron adelantos en los métodos avanzados actuales de homogeneización computacional, en los cuales se combinan los fenómenos microscópicos mediante una estrategia a multiescala en un volumen unitario representativa de las múltiples partículas (elemento representativo del volumen (RVE)). Los algoritmos mejorados tratan correctamente la electroneutralidad como asunción más que como ley fundamental y aprovechan al máximo las ecuaciones de Maxwell, que describen la electricidad y el magnetismo. La separación de escala se trata con especial énfasis en la separación de escalas de tiempo, lo cual no se había incluido nunca en este tipo de modelos. Se ha eliminado la asunción de la masa en estado estacionario y el transporte de carga en la escala micrométrica y se han introducido transiciones de escala dependientes del tiempo. Finalmente, se amplió la condición de Hill-Mandel que gobierna la separación de escalas y que es el segundo componentes principal de una hipótesis del continuo, además del RVE. La simulación del transporte iónico unidimensional en el electrolito de una batería de ion-litio reprodujo perfectamente los datos disponibles en la literatura. Incluso mejor: esto se consiguió sin ninguna de las contradicciones teóricas que se crean mediante otros enfoques gracias a la inclusión de las ecuaciones de Maxwell. El análisis del comportamiento microestructural 2D de un separador multifásico permitió validar todavía mejor la consideración de los mecanismos microscópicos. Los resultados se han divulgado mediante numerosas publicaciones. Se observó que el rendimiento electroquímico y mecánico de las baterías de litio depende fuertemente de la interacción entre fenómenos en las escalas macro y micrométrica. Los resultados deberían tener un efecto importante en el diseño de las baterías de ion-litio de nueva generación, lo cual iniciaría una nueva era de electricidad inalámbrica y sostenible y una nueva era para los fabricantes de baterías de la Unión Europea.
