El investigador del CLS Toby Bond utiliza los rayos X para ayudar a diseñar baterías potentes para vehículos eléctricos con una vida útil más larga. Su investigación, publicada en The Journal of the Electrochemical Society, muestra cómo los ciclos de carga y descarga de las baterías provocan daños físicos que acaban reduciendo el almacenamiento de energía. Este nuevo trabajo apunta a una relación entre las grietas que se forman en el material de las baterías y el agotamiento de los líquidos vitales que transportan la carga.
Bond utiliza las instalaciones del BMIT en la Fuente de Luz Canadiense de la Universidad de Saskatchewan para producir escaneos CT detallados del interior de las baterías. Trabaja con el Dr. Jeff Dahn, de la Universidad de Dalhousie, y se especializa en baterías para vehículos eléctricos, en las que el imperativo de la investigación consiste en empaquetar toda la energía posible en un dispositivo ligero.
“Uno de los grandes inconvenientes de la incorporación de más energía es que, por lo general, cuanta más energía se incorpora, más rápido se degrada la batería”, dice Bond.
En las baterías de iones de litio, esto se debe a que la carga fuerza físicamente los iones de litio entre otros átomos del material del electrodo, separándolos. La adición de más carga provoca un mayor crecimiento de los materiales, que vuelven a encogerse cuando los iones de litio salen. A lo largo de muchos ciclos de este crecimiento y contracción, empiezan a formarse microgrietas en el material, reduciendo lentamente su capacidad de mantener la carga.
“Con el tiempo, los materiales de la batería pueden desmoronarse desde el interior. Si se agrava lo suficiente, puede hacer que partes de la batería se desprendan de su interior”, dice Bond. “Y si causa daños a gran escala en el interior de la batería, también puede convertirse en un problema de seguridad”.
El estudio de este problema, y de la eficacia de los revestimientos y otros tratamientos para detenerlo, ha sido importante en este campo durante mucho tiempo. Tradicionalmente, las grietas que se forman en una batería se han estudiado desmontando la batería y observando las partículas individuales con un microscopio electrónico.
Esto destruye la batería, por lo que no permite a los investigadores preservar la estructura más amplia y ver qué otros efectos puede tener este agrietamiento en el resto de la batería.
Al utilizar imágenes de rayos X en el CLS, Bond dice que los investigadores pueden estudiar estos efectos en su contexto, y ver cómo el agrietamiento provoca cambios en el resto de la batería. En este estudio, los investigadores descubrieron que, a medida que empeoraban las microfisuras de la batería, los líquidos de la celda eran absorbidos por el espacio extra entre las fisuras, lo que podía dejar un volumen de líquido insuficiente.
“Es la primera vez que alguien ha sido capaz de captar todos estos efectos que ocurren juntos en una batería en funcionamiento”, dice Bond. “Este agotamiento del electrolito líquido puede causar graves problemas, ya que cualquier parte de la batería que no reciba suficiente líquido dejaría esencialmente de funcionar”.
En este estudio, Bond y sus colegas estudiaron baterías que se habían cargado y descargado continuamente a diferentes niveles durante años, junto con baterías idénticas que no se habían utilizado en absoluto. Los escaneos de rayos X en 3D que recogieron utilizando la luz brillante y enfocada del BMIT les permitieron ver con precisión cómo se veían afectados los diferentes materiales por el uso, tanto a escala microscópica como en toda la batería.
¿Un resultado práctico? El equipo descubrió que vaciar la batería una pequeña cantidad causaba menos deterioro que descargarla por completo.
Esto se debe probablemente a que un cambio menor en la carga provoca menos tensión física en los materiales de los electrodos de la batería a lo largo del tiempo. Es importante entender este efecto para nuevas aplicaciones como el transporte de larga distancia, los aviones eléctricos y el uso de vehículos eléctricos aparcados para almacenar y suministrar energía a la red eléctrica. Estos escenarios suelen requerir el uso de una mayor parte de la capacidad total de la batería antes de ser recargada.
“A medida que empezamos a sustituir cada vez más vehículos de combustión por vehículos eléctricos, es realmente importante entender cómo se comportan las baterías en diferentes condiciones”, dice Bond. “Es muy emocionante trabajar en estos problemas, y realmente necesitamos herramientas como los sincrotrones para entender los detalles finos de lo que sucede dentro de la batería cuando probamos nuevos enfoques”.
Vídeo: Baterías de estado sólido, el futuro de los Vehículos Eléctricos
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