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Los científicos trabajan para detener la degradación de las baterías de iones de litio

Científicos de la Universidad de Chicago han utilizado una combinación de microscopía electrónica de alta potencia y modelización computacional para entender, a nivel atómico, qué ocurre cuando las baterías de iones de litio se degradan. Sus investigaciones apuntan hacia un enfoque para diseñar baterías de iones de litio más duraderas, centrándose en un componente estructural a menudo ignorado, el dominio aglutinante del carbono.

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“Para hacer frente a muchos de los retos mundiales de almacenamiento y conversión de energía en las próximas décadas, tenemos que seguir innovando y mejorando las baterías”, afirma en un comunicado de prensa Y. Shirley Meng, que dirigió la investigación. “Este trabajo es un paso hacia una tecnología de baterías más eficiente y sostenible”.

Según Meng, la comercialización generalizada de las baterías de iones de litio a finales del siglo XX contribuyó a la aparición de la electrónica ligera y recargable. El litio es el metal más ligero y tiene una elevada relación densidad energética-peso. Cuando se carga una batería de iones de litio, los iones de litio se desplazan desde un cátodo cargado positivamente a un ánodo cargado negativamente. Para liberar energía, esos iones vuelven del ánodo al cátodo.

A lo largo de los ciclos de carga, los materiales activos del cátodo y el ánodo se expanden y contraen, acumulando “grietas de partículas” y otros daños físicos. Con el tiempo, esto hace que las baterías de iones de litio funcionen peor.

Electrodos finos frente a gruesos

Los investigadores ya han caracterizado el agrietamiento y la degradación de partículas que se produce en electrodos pequeños y finos para baterías de iones de litio. Sin embargo, ahora se están desarrollando electrodos más gruesos y con mayor densidad energética para baterías más grandes, con aplicaciones como coches eléctricos, camiones y aviones.

“La cinética de un electrodo grueso es muy distinta de la de un electrodo fino”, explica Minghao Zhang, científico del proyecto y coautor del artículo que presenta los nuevos hallazgos. “En realidad, la degradación es mucho peor en los electrodos más gruesos y de mayor energía, lo que ha supuesto una lucha en este campo”.

Zhang señaló que también es más difícil estudiar cuantitativamente los electrodos gruesos. Las herramientas que antes funcionaban para estudiar electrodos finos no pueden captar las estructuras de materiales más grandes y densos.

En el nuevo trabajo, Meng, Zhang y colaboradores de Thermo Fisher Scientific recurrieron a la microscopía electrónica de barrido con haces de iones focalizados en plasma (PFIB-SEM) para visualizar los cambios que se producen en el interior de un cátodo grueso de batería de iones de litio. La PFIB-SEM utiliza rayos focalizados cargados de iones y electrones para ensamblar una imagen de altísima resolución de la estructura tridimensional de un material.

Los investigadores utilizaron este método de obtención de imágenes para recopilar datos sobre un cátodo nuevo y otro que se había cargado y agotado 15 veces. Con los datos de los experimentos de microscopía electrónica, el equipo construyó modelos computacionales que ilustraban el proceso de degradación de las baterías.

Esta combinación de datos experimentales con resolución a nanoescala y modelos les permitió determinar cómo se degrada el cátodo.

Los investigadores descubrieron que la variación entre zonas de la batería favorecía muchos de los cambios estructurales. La corrosión del electrolito se producía con más frecuencia con una capa fina en la superficie del cátodo. Esta capa superior, por tanto, desarrolló una capa resistiva más gruesa, lo que hizo que la capa inferior se expandiera y contrajera más que otras partes del cátodo, provocando una degradación más rápida.

El modelo también señalaba la importancia del CBD, una red porosa de fluoropolímero y átomos de carbono que mantiene unidos los materiales activos de un electrodo y ayuda a conducir la electricidad a través de la batería. Las investigaciones anteriores no habían caracterizado cómo se degrada el CBD durante el uso de la batería, pero el nuevo trabajo sugería que el debilitamiento de los contactos entre el CBD y los materiales activos del cátodo directamente a la disminución del rendimiento de las baterías de iones de litio con el tiempo.

“Este cambio era aún más evidente que el agrietamiento del material activo, que es en lo que se han centrado muchos investigadores en el pasado”, dijo Zhang.

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Baterías del futuro

Con su modelo del cátodo, el grupo de Meng estudió cómo los retoques en el diseño del electrodo podrían afectar a su degradación. Demostraron que cambiar la red de la estructura del CBD podría ayudar a prevenir el empeoramiento de los contactos entre el CBD y los materiales activos, haciendo que las baterías durasen más, una hipótesis que los ingenieros pueden ahora seguir con experimentos físicos.

El grupo está utilizando ahora el mismo método para estudiar cátodos aún más gruesos, así como para llevar a cabo modelizaciones adicionales sobre cómo ralentizar la degradación de los electrodos.

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