Degradación de las baterías y la carga rápida, compañeros inseparables

La degradación de las baterías y la carga rápida, dos compañeros inseparables

Tanto el smartphone, tablet o portátil que probablemente tienes entre manos, como cada vez más vehículos y dispositivos eléctricos de todo tipo usan baterías de ion de litio, cuyo punto más crítico sigue siendo su limitada autonomía y vida útil. Esta relación de dependencia del enchufe podría acabarse –o, al menos, mitigarse– con sistemas de carga realmente rápida que recaarguen las baterías en unos instantes.

Estos sistemas realmente ya existen, y hemos visto demostraciones impresionantes –como la de Xiaomi cargando un móvil de 4.000 mAh en tan solo 17 minutos–. ¿Cuál es entonces el problema? El obstáculo a superar ahora es dar con la tecla de cómo conseguir que las baterías se degraden menos con este tipo de sistemas de carga cada vez más rápida.

 

La industria avanza, titubeante

Los fabricantes llevan ya varios años intentando salvar el escollo de la autonomía sin dar con teléfonos que sean injustificablemente más gruesos y pesados, o lentos de cargar. Tanto es así que incluso cuando las baterías crecen en los terminales más y más, los sistemas de carga rápida lo hacen a una velocidad mucho mayor.

Un ejemplo de esto son los cargadores de Oppo. En su versión SuperVOOC de 50 W, es tan bueno que comenzaron a licenciar este mismo año a otros fabricantes, permitía cargar un teléfono como el Oppo Find X o el RX17 Pro en poco más de media hora. Y eso es suficiente como para cambiar los hábitos de uso. Básicamente, puedes cargarlo cuando quieras, y donde quieras. Completamente.

De horas a minutos al cargar

A pesar de esto, por alguna razón Oppo se ha visto obligada a retroceder recientemente en la implementación de este sistema de carga. Ya sea por los efectos de este sobre la salud de la batería, sobre lo que ellos no han soltado prenda, o por un tema puramente de costes en una característica que no es tan demandada –a su favor, han bajado los precios sensiblemente–, sus recientes Oppo Reno ya no cuentan con ella.

En el lado contrario de la balanza está Samsung, que parece que por fin se anima con un sistema de carga súper rápida con sus recientes Galaxy Note 10. Tras permanecer ya varias generaciones repitiendo en los 15 W, ahora suben hasta los 25 W de serie y hasta los 45 W en la versión ‘Plus’ adquirimos el cargador compatible. Huawei también probaba en ese rango ya el pasado año con su Huawei Mate 20 Pro.

Mientras tanto, Apple todavía continúa proporcionando cargadores de 5W de serie con sus distintos modelos de iPhone. Eso sí, sí que da la opción desde los últimos iPhone a un cargador no tan lento, mucho más en la media de la industria con los cargadores de 18 W que venden también por separado. Hasta entonces la norma había sido utilizar el cargador estándar del iPad para acelerar el proceso.

De la mano, con la próxima versión del sistema operativo, Apple introducirá un sistema de carga que ‘aprende’ de nuestros usos para intentar compensar el deterioro de las baterías. Y es que las baterías de Ion de litio se degradan más fuertemente al permanecer demasiado tiempo en niveles elevados de carga. Evitarán, cargando el último porcentaje solo antes de la reanudación habitual de uso, que pase noches y noches completamente cargado. Esto es aproximadamente un tercio del tiempo total de vida del iPhone, manteniendo el teléfono al 80% el resto del tiempo que está enchufado.

 

La investigación es clara: carga rápida, a priori, mal

A pesar del gran nivel de inversión, las baterías de Ion de litio se encuentran relativamente estancadas en términos de capacidad. No es, efectivamente, por falta de ganas: el tipo de baterías que vemos en nuestros smartphones son también similares a las que empujan los coches eléctricos y proveerán, cada vez más, a los sistemas de respaldo –como los recientes MegaPack de Tesla– a energías renovables para escapar de las fósiles.

Los expertos recomiendan utilizar la carga rápida únicamente cuando sea necesaria

Se investiga tanto que, del volumen de producción científica actual, parte va dirigido meramente a tareas de asimilación. Hace unos meses se presentaba el primer libro escrito por una IA, y no era otra cosa que un intento por aglutinar los últimos avances –más de 53.000 publicaciones en los últimos tres años, según Springer– en este tipo de baterías, cruzando cientos y cientos de referencias a distintos papers publicados en los últimos años. ¿El resultado? Un completo desastre del que no se entiende ni el primer párrafo, pero una puerta de entrada a un campo –el procesado del lenguaje– que está todavía en pleno auge. Al fin de cuentas el algoritmo, Beta Writer, no se llama así por nada.

Tras casi tres décadas de desarrollo comercial desde que Sony presentara las primeras baterías recargables basadas en ion de litio en 1991, gran parte del avance es propietario y un puñado de corporaciones –como LG, Panasonic o Samsung– mantienen sus avances a buen recaudo. Las baterías son sistemas complejos, y hay varias consideraciones a tener en cuenta en su diseño: su coste, vida útil, capacidad máxima o resistencia a desafortunados eventos. De poco vale una batería que es extremadamente buena en casi todo, si falla estrepitosamente en un único de estos puntos.

En cualquier caso e independientemente del ‘aditivado’ o mezcla de compuestos utilizado en su fabricación –que favorecen en mayor medida los diferentes puntos mencionados, y de los que se han probado cientos en diferentes proporciones– hay ciertas bases de consenso común en el mundo de las baterías de ion de litio que permiten alargar su autonomía. Entre consejos como reducir la exposición al calor o no agotar completamente la batería se encuentra, sin duda alguna, el de usar la propia carga rápida solo cuando sea necesario.

 

Radiografiando el daño

Recientemente, investigadores de la Universidad de Purdue –que acumula una buena cantidad de estudios y divulgación sobre la materia– en Indiana, Estados Unidos, han conseguido crear un mapa del daño acumulado por las propias baterías a nivel interno, tanto microscópico como macroscópico y en distintas condiciones.

Su punto de partida es que la batería no es un sistema químico aislado en el que las cargas y descargas se realizan de una forma ideal. En su lugar, el sistema tiene un componente también mecánico vinculado a la corriente o voltaje con la que se carga la batería. Y este efecto se potencia con los sistemas de carga rápida, puesto que hay cambios más bruscos en las temperaturas y corrientes de la batería.

Las baterías sufren a distintas escalas, y no uniformemente

El equipo, encabezado por Yang Yang, hizo uso de radiación sincrotrón en varias instalalaciónes a nivel mundial –en Europa, China y Estados Unidos–, ha logrado crear imágenes microscópicas de la estructura interna de las baterías de ion de litio. En el estudio se ha tenido en cuenta la propia interacción cuántica de los constituyentes a esta escala tan microscópica y se han utilizado sistemas de aprendizaje automático para interpretar los datos.

Las imágenes muestran claramente como este daño a las pequeñas partículas que forman las baterías de ion de litio es heterogeneo, tanto desde un punto de vista espacial como temporal y a varios niveles. Las cargas, temperaturas y corrientes se distribuyen de forma poco consistente, lo que fuerza la aceleración de su deterioro.

El análisis, realizado también en condiciones de carga rápida, determina también los patrones de rotura de estas pequeñas partículas, pero no se reduce tampoco a estas. Si nos fijamos en las imágenes, se observan acumulaciones de pequeñas roturas en ciertas regiones. Unas, mucho más castigadas que otras –como en la proximidad del área que ánodo y cátodo, denominada separador–, lo que acelera el deterioro e inestabilidad de la batería al completo.

 

Un nuevo ángulo de mejora, pero toca elegir

Este constata el efecto específico de los sistemas de carga rápida sobre una batería genérica, pero es probable que los principales fabricantes que están implementando estos sistemas lo estén haciendo sin empeorar la durabilidad. Sería posible simplemente mejorando de una forma más limitada en otros aspectos.

Más resistencia a la carga rápida, en el punto de mira actual

A cambio, posiblemente estén renunciando a ya pequeñas ganancias en la densidad energética u otras características de las baterías y virando hacia una mayor tolerancia a la carga rápida. Como afirma Kejie Zhao, uno de los investigadores autores del paper, «es difícil para una batería tener una gran capacidad y ser estable a la vez. Incrementar su capacidad a menudo significa sacrificar su estabilidad».

La motivación para la industria detrás de la producción de más y más baterías con esta tecnología sería bastante clara: poco importa ya en ciertos usos si la capacidad es marginalmente superior, pero sí supone un beneficio recuperar gran parte de esta en tan solo unos minutos.

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