No tan rápido: Algunas baterías pueden ser empujadas demasiado lejos
Los científicos encuentran que la sobreabundancia de defectos intencionales puede causar que los cátodos de la batería fallen
Los defectos intencionales en las baterías han dado a los científicos de la Universidad de Rice una ventana a los peligros de empujar las células de iones de litio demasiado lejos.
A la izquierda, un modelo 3D realizado por los científicos de materiales de la Universidad Rice muestra un límite de fase cuando un cátodo de fosfato de hierro y litio que se está desvaneciendo se descarga rápidamente. A la derecha, una sección transversal muestra el límite "como un dedo" entre el fosfato de hierro (azul) y el litio (rojo). Los ingenieros de Rice descubrieron que demasiados defectos intencionales destinados a mejorar las baterías pueden, de hecho, degradar su rendimiento y resistencia.
Mesoscale Materials Science Group/Rice University
Las nuevas simulaciones realizadas por el científico de materiales de Rice, Ming Tang, y el estudiante graduado Kaiqi Yang, detalladas en el Journal of Materials Chemistry A, muestran que demasiada tensión en los cátodos de litio-hierro-fosfato ampliamente usados puede abrir grietas y degradar rápidamente las baterías.
El trabajo amplía la reciente investigación de Rice que demostró cómo al poner defectos en las partículas que componen el cátodo se podría mejorar el rendimiento de la batería hasta en dos órdenes de magnitud al ayudar a que el litio se mueva más eficientemente.
Pero el posterior estudio de modelación del laboratorio reveló una advertencia. Bajo la presión de una carga y descarga rápida, los cátodos cargados de defectos corren el riesgo de fracturarse.
"La imagen convencional es que el litio se mueve uniformemente en el cátodo, con una región rica en litio que se expande suavemente hacia el centro del cátodo", dijo Tang, profesor adjunto de ciencias de los materiales y nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice.
Pero las imágenes de rayos X tomadas en otro laboratorio mostraron algo más. "Vieron un límite como un dedo entre las regiones ricas en litio y las regiones pobres en litio, casi como cuando se inyecta agua en el aceite", dijo. "Nuestra pregunta era, ¿qué causa esto?"
La raíz del problema parece ser que la tensión desestabiliza el límite inicialmente plano y hace que se vuelva ondulado, señaló Tang. El cambio en la forma de los límites aumenta aún más el nivel de tensión y desencadena la formación de grietas. El estudio del grupo de Tang muestra que dicha inestabilidad puede ser incrementada por un tipo de defecto común en los compuestos de batería llamados antisitos, donde los átomos de hierro ocupan puntos en el cristal donde deberían estar los átomos de litio.
"Los antisitos pueden ser algo bueno, como mostramos en el último artículo, porque aceleran la cinética de intercalación del litio", dijo Tang, "pero aquí mostramos un efecto contrario": Demasiados antisitos en las partículas animan a la interfaz en movimiento a volverse inestable y por lo tanto generan más estrés".
Tang cree que hay un punto dulce para el número de antisitos en un cátodo: suficiente para mejorar el rendimiento pero muy pocos para promover la inestabilidad. "Se desea tener un nivel adecuado de defectos, y se requerirá algún tipo de ensayo y error para averiguar cómo alcanzar la cantidad correcta a través del recocido de las partículas", dijo. "Creemos que nuestras nuevas predicciones pueden ser útiles para los experimentadores".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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