El científico marroquí Rachid Yazami ha desarrollado una tecnología que permite cargar completamente las baterías de litio-ferrofosfato en tan solo siete minutos.

La técnica consiste en aplicar niveles de voltaje graduados, intercalados con periodos de reposo, lo que mantiene la temperatura de la celda por debajo de los 50 grados Celsius.

Aunque las ventas de vehículos eléctricos aumentaron durante el último año —alcanzando los 20 millones de unidades, con una previsión de 23 millones para este año, según la Agencia Internacional de la Energía—, persiste un obstáculo importante para un mayor crecimiento: la lenta velocidad de carga de estos vehículos.

Las empresas se esfuerzan por lograr que la carga sea tan rápida y cómoda como el repostaje tradicional, y la competencia entre ellas en este ámbito se está intensificando; un campo que pronto llevará un sello árabe, gracias al científico marroquí Dr. Rachid Yazami.

Yazami cuenta con una trayectoria destacada en este campo; a él se le atribuye la invención del ánodo de grafito que se utiliza actualmente en las baterías modernas de iones de litio. Ahora, gracias a su última innovación —un método revolucionario para la carga rápida y segura de estas baterías—, los vehículos eléctricos podrían superar pronto uno de sus inconvenientes más notables.

Según un comunicado de KVI —una empresa emergente con sede en Singapur, fundada por Rachid Yazami y especializada en el desarrollo de tecnologías de baterías—, esta nueva técnica, denominada «voltamperometría no lineal», permite cargar una celda de batería de fosfato de hierro y litio del 10 % al 70 % en solo 3,7 minutos. Además, es capaz de cargar una celda del mismo tipo del 0 % al 100 % en apenas siete minutos.

¿Cómo funciona la nueva tecnología?

En declaraciones a Al Jazeera Net, Rashid explica que esta tecnología difiere radicalmente del método de carga tradicional, conocido como «corriente constante». En lugar de suministrar una corriente eléctrica estable a la batería, la nueva técnica aplica una serie de niveles de tensión de manera controlada, al tiempo que supervisa la corriente de carga, que fluctúa. Asimismo, incorpora un breve periodo de reposo —de unos pocos segundos de duración— entre cada nivel de tensión sucesivo.

Señala que este enfoque ha hecho posible una carga ultrarrápida, garantizando que la temperatura de la celda nunca supere los 50 °C en ninguna etapa; los breves intervalos de reposo ayudan a mantener baja la temperatura de la batería.

La nueva técnica es análoga a llenar un depósito mediante una bomba de agua que supervisa la respuesta del mismo —ajustando la presión del agua en función de la capacidad restante—, a diferencia del enfoque convencional, que funciona como un proceso de carga de flujo constante en el que la bomba suministra agua a un caudal fijo (por ejemplo, 10 litros por minuto).

La distinción entre ambos métodos refleja la diferencia entre la carga de baterías tradicional y el nuevo enfoque del profesor Yazami. En el método convencional, el depósito —al igual que una batería vacía— admite agua con facilidad. La bomba sigue suministrando el mismo volumen cada minuto, incluso cuando el depósito se acerca a su capacidad máxima. Por consiguiente, a medida que el nivel del agua se aproxima al límite máximo del depósito, mantener el mismo caudal resulta cada vez más arriesgado, ya que podría provocar que el depósito se desborde o sufra daños.

Esto es similar a lo que ocurre dentro de una batería durante la carga a corriente constante. Al principio, los electrodos de la batería pueden aceptar e incorporar iones de litio con relativa facilidad; sin embargo, a medida que la batería se acerca a su capacidad máxima, el proceso de aceptación de iones adicionales se vuelve cada vez más difícil, lo cual afecta a la calidad de la carga.

Retomando la analogía del depósito, esta nueva técnica no se basa en bombear agua a un caudal constante. En su lugar, ajusta la presión de bombeo en etapas graduales, supervisando la respuesta del depósito en cada fase e incorporando breves pausas de varios segundos antes de pasar al siguiente nivel. De este modo, la técnica adapta el proceso de carga a la respuesta real de la batería, en lugar de seguir suministrando corriente a un ritmo fijo e invariable.

Experimentos con múltiples celdas

Las pruebas de la nueva tecnología de carga no se limitaron a una sola celda. Rashid señala que su equipo la evaluó en diversas celdas de baterías de iones de litio basadas en la química de fosfato de hierro y litio, la mayoría de las cuales fueron fabricadas en China.

Explicó que, entre las celdas utilizadas, se incluyó una unidad comercial producida por la empresa «A123», con una capacidad de 2500 miliamperios-hora (mAh), la cual fue sometida a una potencia de carga máxima de aproximadamente 90 vatios.

Es bien sabido que la potencia de carga necesaria depende tanto de la capacidad de la batería como del tiempo previsto para completar la carga; a mayor capacidad, mayor será la potencia requerida para realizar la carga dentro del mismo plazo.

Añade que los resultados de las pruebas obtenidas en Singapur han sido corroborados por la empresa japonesa «SkyDrive», especializada en el desarrollo de aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL).

Carga sin complicaciones

A pesar de la rápida carga de la batería lograda mediante «voltamperometría no lineal», Rashid afirma que este proceso no provocó efectos secundarios adversos. No se observó la formación de «dendritas metálicas» durante las pruebas de carga, ni siquiera cuando el tiempo de carga fue inferior a diez minutos. Además, la tecnología superó con éxito más de 900 ciclos de carga y descarga, con una pérdida de capacidad no superior al 11 %.

Al ofrecer una posible explicación, Rashid señala: «Creo que los breves periodos de reposo entre las etapas de carga permiten que el litio metálico que pudiera haberse depositado en el ánodo de grafito se reintercale —es decir, que vuelva a introducirse— entre las capas de grafeno, evitando así la formación de dendritas metálicas».

Para comprender cómo se forman las dendritas metálicas, imagine a los iones de litio como personas que entran en un edificio de varias plantas, donde los pisos representan capas de grafito. En condiciones normales, los iones se desplazan entre estas capas y se almacenan allí. Sin embargo, si el proceso de carga ocurre con mayor rapidez de la que el ánodo puede gestionar para alojar dichos iones, parte del litio puede depositarse en la superficie del ánodo en forma de litio metálico, en lugar de intercalarse entre las capas de grafito.

Estos depósitos pueden crecer hasta formar estructuras similares a agujas o ramificaciones —conocidas como dendritas metálicas—, las cuales suponen un riesgo considerable: pueden perforar el separador aislante situado entre los electrodos de la batería, lo que podría provocar un sobrecalentamiento o un incendio.

Diagnóstico del estado de la batería

Además de acelerar la carga, la nueva tecnología incorpora sistemas de diagnóstico patentados que supervisan el estado de la batería y detectan señales de advertencia tempranas de «cortocircuitos internos». Esto mejora la seguridad de la tecnología y, al mismo tiempo, ayuda a prolongar la vida útil operativa de las baterías.

Al explicar cómo se logra esta función adicional, Rachid señala que se basa en un concepto científico conocido como «termodinámica fuera del equilibrio» para identificar las etapas iniciales de la formación de cortocircuitos internos.

Explica que este enfoque se basa en el seguimiento de los cambios en dos indicadores: la «entropía» —una medida relacionada con la distribución de la energía que refleja aspectos de los cambios térmicos y químicos durante el funcionamiento de la batería— y la «entalpía» —una medida del contenido calorífico de un sistema, que ayuda a caracterizar los cambios asociados a la energía y al calor.

Según Yazami, las curvas de entropía y entalpía difieren considerablemente entre una celda en buen estado y otra en la que ha comenzado a desarrollarse un «cortocircuito interno». Señala que estos cambios pueden medirse mientras la batería se está cargando o descargando, sin necesidad de apagarla ni desmontarla.

Este importante avance puede compararse con la supervisión del motor de un automóvil: uno conoce su sonido habitual, su temperatura de funcionamiento y su consumo de combustible; por tanto, si un componente interno empieza a fallar, estos indicadores pueden variar antes de que el motor sufra una avería total.

La tecnología de Rashid funciona de manera similar. Toda batería en buen estado presenta un patrón térmico y energético específico durante los procesos de carga y descarga; cuando comienza a desarrollarse un fallo interno, este patrón se altera de forma detectable.

Uno de los indicios más notables de un mal funcionamiento es el «cortocircuito interno», un fallo que se produce dentro de una celda de la batería sin ninguna señal de advertencia externa evidente. Esto puede provocar un calentamiento intenso y localizado que, a su vez, podría derivar en lo que se conoce como «embalamiento térmico». En consecuencia, la detección de estas señales de advertencia temprana permite que el sistema de gestión de la batería intervenga antes de que la situación empeore.

Aplicable a un paquete de baterías completo

Aunque los experimentos se llevaron a cabo en una sola celda de batería, Rachid afirma que no existen desafíos teóricos que impidan escalar esta tecnología para que funcione a nivel de un paquete de baterías completo.

Él señala: «En esencia, la técnica de "voltamperometría no lineal" se basa en un algoritmo capaz de aplicar, supervisar y analizar datos en distintos niveles: la celda individual (realizando un seguimiento de la respuesta de cada celda por separado), el módulo (analizando el rendimiento de un grupo de celdas interconectadas) y el paquete de baterías completo (gestionando y supervisando todo el sistema de baterías dentro de un vehículo)».

Según un comunicado de KVI, Electro Mobility Holding Singapore se encuentra actualmente preparando la comercialización de esta tecnología mediante el desarrollo de sistemas de carga controlados por tecnología «voltamétrica no lineal», con un enfoque principal en el mercado de los vehículos eléctricos.

La empresa tiene previsto ampliar sus actividades de investigación y desarrollo en Singapur como parte de una iniciativa internacional más amplia que abarca la tecnología de baterías, la infraestructura de carga y la movilidad eléctrica.

Sin embargo, según el comunicado, las posibles aplicaciones de esta tecnología no se limitan al transporte terrestre. En el caso de las aeronaves eléctricas con capacidad de despegue y aterrizaje vertical (VTOL, por sus siglas en inglés), una carga de baterías más rápida podría reducir el tiempo de inactividad entre vuelos, lo que permitiría a los operadores aumentar el número de trayectos y el aprovechamiento operativo de sus aeronaves, incrementando así sus ingresos.

En el comunicado, Rashid señala que la empresa japonesa SkyDrive —especializada en el desarrollo de aeronaves eléctricas VTOL— firmó un memorando de entendimiento con su compañía el 28 de octubre para explorar la posibilidad de aplicar esta tecnología de carga ultrarrápida a aeronaves eléctricas.

Una tecnología prometedora a la espera de pruebas cruciales

El Dr. Maher El-Kady, profesor investigador en el Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de California —y un destacado investigador que ha contribuido de manera significativa al desarrollo del grafeno y de las baterías de litio—, ha expresado su entusiasmo ante este avance. El desarrollo está vinculado al Dr. Rachid Yazami, inventor del ánodo de grafito que se utiliza actualmente en las modernas baterías de iones de litio.

Aunque el comunicado emitido por KVI no reveló muchos detalles, Al-Qadi destacó varios puntos clave de las declaraciones de Rashid a Al Jazeera Net; en particular, la afirmación de que la carga rápida mediante esta nueva tecnología no provocaría la formación de «dendritas metálicas». Al-Qadi señaló que «proteger la batería de este peligro insidioso y oculto requiere protocolos de prueba más rigurosos y frecuentes antes de poder concluir que la nueva tecnología no dará lugar a un problema de este tipo».

Asimismo, Al-Qadi subraya que trasladar el éxito obtenido en una sola celda a un vehículo eléctrico práctico y listo para circular plantea un desafío adicional, tanto de ingeniería como de física: «Cuando un gran número de celdas se combinan en un único paquete de baterías, surgen diferencias sutiles entre las celdas individuales, en lo que respecta a su resistencia, temperatura y capacidad».

Explica que «estas discrepancias pueden acentuarse a medida que la batería envejece; una celda podría alcanzar sus límites admisibles de tensión o temperatura antes que las demás, lo que obligaría al sistema de gestión de la batería a reducir la corriente de carga para protegerla».

Añade que, para mantener un tiempo de carga constante, se requiere una capacidad de potencia proporcional al tamaño del paquete de baterías, un sistema de control capaz de gestionar las variaciones entre las celdas individuales y una refrigeración uniforme; todo ello exige una validación práctica mediante el uso de un paquete de baterías completo.

Al-Qadi considera que la adopción de este nuevo método de carga en el ámbito automotriz requiere evaluar el sistema de baterías y el cargador como una unidad integrada, conforme a las normas y pruebas de seguridad pertinentes.

Asimismo, se destaca la necesidad de realizar pruebas de carga bajo diversas condiciones de temperatura —desde el frío extremo hasta el calor intenso—, dado que la probabilidad de que se produzca la formación de depósitos de litio («lithium plating») aumenta durante la carga rápida en entornos fríos.

Además, se subraya la importancia de evaluar el rendimiento tanto en celdas nuevas como en celdas envejecidas, midiendo la retención de capacidad y la eficiencia energética a lo largo de ciclos de carga repetidos. En última instancia, «el valor práctico de este logro viene determinado por la capacidad de la batería para soportar dicha carga rápida durante toda su vida útil prevista, manteniendo al mismo tiempo su rendimiento y su seguridad», según informó Al Jazeera.