Investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía de EE.UU., la Universidad de Purdue, la Universidad Tecnológica de Virginia y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón han descubierto que los factores que explican el deterioro de las baterías de iones de litio cambian con el tiempo.
En un artículo publicado en la revista Science, el grupo explica que, al principio, el deterioro parece estar impulsado por las propiedades de las partículas individuales de los electrodos, pero después de varias docenas de ciclos de carga, lo que más importa es la forma en que esas partículas se juntan.
“Los bloques de construcción fundamentales son estas partículas que componen el electrodo de la batería, pero cuando se aleja, estas partículas interactúan entre sí”, dijo Yijin Liu, autor principal del trabajo, en una declaración a los medios. Por tanto, “si se quiere construir una batería mejor, hay que estudiar cómo juntar las partículas”.
Con ese objetivo en mente, Liu y sus colegas decidieron no limitarse a observar las partículas individuales, sino también las formas en que trabajan juntas para prolongar -o degradar- la vida de la batería.
“Las partículas de las baterías son como las personas: cada una empieza a ir por su cuenta”, explica Keije Zhao, coautor del estudio, “pero al final nos encontramos con otras personas y acabamos formando grupos que van en la misma dirección. Para entender la eficiencia máxima, tenemos que estudiar tanto el comportamiento individual de las partículas como la forma en que éstas se comportan en grupo”.
Utilizar los rayos X para profundizar
Para profundizar en esta idea, los científicos utilizaron la tomografía de rayos X para reconstruir imágenes tridimensionales de los cátodos después de haber pasado por 10 o 50 ciclos de carga. Recortaron esas imágenes tridimensionales en una serie de cortes 2D y utilizaron métodos de visión por ordenador para identificar las partículas.
A continuación, pudieron identificar más de 2.000 partículas individuales, para las que calcularon no sólo las características individuales de las partículas, como el tamaño, la forma y la rugosidad de la superficie, sino también rasgos más globales, como la frecuencia con la que las partículas entraban en contacto directo entre sí y la variedad de sus formas.
A continuación, analizaron cómo contribuía cada una de esas propiedades a la descomposición de las partículas, y surgió un patrón. Después de 10 ciclos de carga, los factores más importantes eran las propiedades individuales de las partículas, como su esfericidad y la relación entre el volumen de las partículas y su superficie. Sin embargo, después de 50 ciclos, los atributos de pares y grupos -como la distancia entre dos partículas, la variedad de sus formas y si las partículas más alargadas y con forma de balón de fútbol estaban orientadas de forma similar- impulsaron la ruptura de las partículas.
“Ya no es sólo la partícula en sí. Lo que importa son las interacciones partícula-partícula”, afirma Liu.
En su opinión, esto es importante porque significa que los fabricantes podrían desarrollar técnicas para controlar esas propiedades. Por ejemplo, podrían utilizar campos magnéticos o eléctricos para alinear las partículas alargadas entre sí, lo que, según los nuevos resultados, daría lugar a una mayor duración de la batería.
“Este estudio arroja luz sobre cómo podemos diseñar y fabricar los electrodos de las baterías para obtener ciclos de vida más largos”, dijo el coautor Feng Lin. “Estamos entusiasmados con la posibilidad de aplicar los conocimientos a las baterías de próxima generación, de bajo coste y de carga rápida”.
Noticia tomada de: MINING / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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