Effects of High-Temperature Preconditioning on Li Plating During Low-Temperature Cycling of the COTS LG Chem HG2 Cell

Las naves espaciales viajan a través de entornos que son hostiles para casi todo lo que conocemos. En el silencio profundo del espacio, las temperaturas pueden caer muy por debajo del punto de congelación del agua, y las baterías que alimentan estas misiones deben sobrevivir a este frío sin fallar. Durante décadas, los ingenieros han dependido de baterías fabricadas a medida, diseñadas específicamente para estas condiciones extremas. Sin embargo, ha surgido una solución más práctica y rentable: utilizar las mismas baterías de iones de litio de alta calidad que se encuentran en la electrónica de consumo, conocidas como celdas comerciales disponibles en el mercado (COTS). Estas baterías se producen en masa, son altamente consistentes y ofrecen una densidad energética impresionante. No obstante, tienen un inconveniente. Están diseñadas para cargarse en temperaturas moderadas, y cuando se ven obligadas a operar en el frío profundo del espacio, puede ocurrir un proceso químico peligroso en su interior. Cuando una batería de iones de litio se carga en el frío, los iones de litio pueden quedarse atrapados en la superficie del electrodo negativo en lugar de penetrar en él. Esto crea una capa de litio metálico, un fenómeno llamado placaje de litio (lithium plating). Esta acumulación no es solo un signo de desgaste; puede dañar permanentemente la capacidad de la batería y, en casos graves, provocar riesgos de seguridad como cortocircuitos o incendios.

Un equipo de investigadores se propuso comprender cómo prevenir este peligroso placaje en una batería comercial muy utilizada, la LG Chem HG2, cuando se somete a las condiciones de congelación del espacio. Se centraron en una pregunta sencilla: ¿importa cómo se trate una batería antes de que se enfríe? Específicamente, querían saber si calentar la batería y cargarla repetidamente antes de enviarla al frío la haría más resistente al placaje que simplemente dejarla reposar en el calor o enviarla directamente al frío. Para encontrar la respuesta, combinaron experimentos del mundo real con potentes simulaciones por computadora que podían mirar dentro de la estructura microscópica de la batería. Los resultados revelaron una verdad sorprendente sobre cómo el estado interno de la batería, más que solo su condición superficial, dicta su supervivencia en el frío.

Los investigadores probaron tres grupos diferentes de estas baterías comerciales para ver cómo se comportarían a menos 20 grados Celsius. El primer grupo pasó por una fase de "preacondicionamiento" en la que se cargó y descargó repetidamente durante dos semanas a una temperatura cálida de 30 grados Celsius. El segundo grupo fue simplemente almacenado a esa misma temperatura cálida durante el mismo tiempo sin ser cargado o descargado. El tercer grupo no recibió ningún tratamiento especial; fueron tomados directamente de la temperatura ambiente y puestos en el frío para las pruebas. Después de estos pasos iniciales, todas las baterías fueron sometidas a la misma rigurosa prueba de ciclos a menos 20 grados Celsius. El objetivo era observar signos de placaje de litio, que a menudo se manifiesta a través de cambios específicos en el voltaje de la batería durante la descarga.

Los resultados fueron claros y distintivos. Las baterías que habían sido almacenadas en el calor o enviadas directamente al frío mostraron signos fuertes de placaje de litio. Cuando estas baterías se descargaban, sus curvas de voltaje mostraban mesetas específicas, y el análisis de sus cambios de voltaje indicaba que se había formado litio metálico en el ánodo y que este estaba siendo desprendido. Este es un signo de degradación y peligro potencial. En contraste, las baterías que habían sido preacondicionadas mediante ciclos en la temperatura cálida no mostraron tales signos. Ciclaron de manera más eficiente, retuvieron mejor su capacidad y no mostraron evidencia de la peligrosa acumulación de litio. Los datos sugirieron que el acto de cargar y descargar la batería mientras estaba caliente cambió fundamentalmente su comportamiento, haciéndola mucho más resistente cuando finalmente enfrentaba el frío.

Para entender por qué sucedió esto, los investigadores recurrieron a un modelo computacional sofisticado. Construyeron un gemelo digital de la batería, utilizando imágenes 3D detalladas de la estructura microscópica del electrodo obtenidas con un escáner de alta resolución. Esto les permitió simular el movimiento de iones y electrones dentro de la batería con una precisión increíble. La simulación rastreó un factor clave llamado sobrepotencial, que es esencialmente la presión eléctrica adicional necesaria para impulsar las reacciones químicas. Si esta presión cae demasiado bajo, los iones de litio se asentarán en la superficie como metal en lugar de entrar en el electrodo. La simulación confirmó que las baterías preacondicionadas tenían una mayor resistencia a esta condición de placaje en comparación con las otras.

El estudio profundizó entonces para encontrar la causa raíz de esta diferencia. Uno podría asumir que el ciclado en caliente cambió el recubrimiento físico en el electrodo, conocido como la interfase de electrolito sólido (SEI), haciéndolo más resistente. Sin embargo, la simulación mostró que el grosor y la composición de este recubrimiento no eran los principales impulsores de la diferencia. En su lugar, el factor clave fue el estado de carga de la batería —la cantidad de energía almacenada en su interior— en el momento en que entró en el frío. Las baterías que fueron preacondicionadas mediante el ciclado terminaron en un estado de carga diferente al de las que solo fueron almacenadas o no tratadas. Cuando las baterías preacondicionadas se enfriaron, comenzaron su ciclo en frío con un nivel de energía almacenada más alto. Este punto de partida más alto significó que, durante la primera carga en el frío, los iones de litio pudieron moverse más libremente y asentarse correctamente dentro del electrodo, en lugar de quedarse atrapados en la superficie. Las baterías que comenzaron con un estado de carga más bajo tuvieron más dificultades, lo que favoreció las condiciones para el placaje.

Los investigadores también observaron que, si bien sus modelos computacionales podían explicar por qué las baterías preacondicionadas funcionaban mejor en los primeros ciclos, no podían explicar completamente por qué las otras baterías continuaban degradándose con el tiempo. Los modelos mostraban que la tendencia al placaje debería haberse estabilizado, pero los experimentos mostraron que el daño en realidad empeoraba con más ciclos. Esto sugiere que, una vez que ocurre el placaje inicial, este desencadena una reacción en cadena de cambios físicos —quizás grietas en el recubrimiento protector u otros cambios estructurales— que los modelos actuales aún no capturan. Esta brecha entre la simulación y los datos del mundo real resalta la complejidad de la química de las baterías y la necesidad de una investigación continua.

En última instancia, este trabajo proporciona una hoja de ruta práctica para el uso de baterías comerciales en el espacio. Demuestra que una rutina de calentamiento simple, que implica la carga y descarga repetida, puede mejorar significamente la capacidad de una batería para sobrevivir en temperaturas de congelación. Al asegurar que la batería comience su viaje en el frío con el estado de carga adecuado, los ingenieros pueden evitar la peligrosa acumulación de litio metálico. Este hallazgo es crucial para futuras misiones espaciales, donde la fiabilidad de los sistemas de energía es una cuestión de vida o muerte. El estudio confirma que, aunque estas celdas comerciales no fueron diseñadas originalmente para el frío profundo, con la preparación adecuada, pueden ser inducidas a funcionar de manera segura y efectiva en uno de los entornos más hostiles imaginables.