Una investigación examina las claves para desarrollar mejores baterías
"Este estudio realmente arroja luz sobre cómo podemos diseñar y fabricar los electrodos de las baterías para obtener una larga vida útil de las mismas"
No aparece rápidamente. Puede tardar semanas en notarse. Tienes las pilas AA de iones de litio recién recargadas en la fuente de agua inalámbrica para gatitos, y duran dos días. Antes duraban una semana o más. Otra ronda de carga, y duran un día. Pronto, nada.
En el laboratorio de Feng Lin, cientos de baterías se colocan en enormes estanterías, parpadeando en rojo y verde, y se prueban todos los días. Las luces verdes y rojas significan que los canales de prueba están funcionando.
Photo courtesy Feng Lin
Se te perdonaría si te quedaras parado y te cuestionaras tus propias acciones. "Espera, ¿he recargado estos?"
Relájate, no eres tú. Es la batería. Nada dura para siempre, ni siquiera las supuestas pilas recargables de larga duración, ya sean AA o AAA compradas en la tienda o las baterías de nuestros teléfonos móviles, auriculares inalámbricos o coches. Las pilas se descomponen.
Feng Lin, profesor asociado del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias de Virginia Tech, participa en un nuevo estudio internacional, realizado por varias agencias y universidades, que se publica hoy en Science y que analiza los factores que determinan la vida útil de las pilas y cómo éstos cambian con el tiempo en condiciones de carga rápida. Según el estudio, al principio el deterioro de la batería 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 cómo se juntan esas partículas.
"Este estudio arroja luz sobre cómo podemos diseñar y fabricar los electrodos de las baterías para obtener un ciclo de vida más largo", afirma Lin. Su laboratorio trabaja ahora en el rediseño de los electrodos de las baterías con el objetivo de fabricar arquitecturas de electrodos que proporcionen capacidades de carga rápida y mantengan una vida más larga a una fracción del coste actual, además de ser respetuosas con el medio ambiente.
"Cuando la arquitectura de los electrodos permita que cada partícula individual responda rápidamente a las señales eléctricas, tendremos una buena caja de herramientas para cargar rápidamente las baterías. Estamos entusiasmados con la posibilidad de aplicar estos conocimientos a la próxima generación de baterías de bajo coste y carga rápida", dijo Lin.
El estudio, del que Lin es coautor, se realiza en colaboración con el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EE.UU., junto con la Universidad de Purdue y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón. Los investigadores postdoctorales del laboratorio de Lin, Zhengrui Xu y Dong Hou, también coautores del artículo, dirigieron la fabricación de los electrodos, la fabricación de la batería y las mediciones de su rendimiento, y colaboraron en los experimentos con rayos X y el análisis de los datos.
"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 el científico del SLAC Yijin Liu, investigador de la Fuente de Radiación Sincrotrón de Stanford (SSRL) y autor principal del artículo. Por tanto, "si se quiere construir una batería mejor, hay que estudiar cómo juntar las partículas".
Como parte del estudio, Lin, Liu y otros colegas utilizaron técnicas de visión por ordenador para estudiar cómo las partículas individuales que componen el electrodo de una batería recargable se rompen con el tiempo. El objetivo esta vez era estudiar no sólo las partículas individuales, sino la forma en que trabajan juntas para prolongar -o degradar- la vida de la batería. El objetivo final natural: aprender nuevas formas de exprimir un poco más la vida de los diseños de las baterías.
Como parte de su investigación, el equipo estudió los cátodos de las baterías con rayos X. Utilizaron la tomografía de rayos X para reconstruir imágenes en 3D de los cátodos de las baterías después de haber pasado por diferentes ciclos de carga. A continuación, cortaron esas imágenes 3D en una serie de cortes 2D y utilizaron métodos de visión por ordenador para identificar las partículas. Además de Lin y Liu, en el estudio participaron Jizhou Li, becario postdoctoral del SSRL; Keije Zhao, profesor de ingeniería mecánica de Purdue; y Nikhil Sharma, estudiante de posgrado de Purdue.
Los investigadores identificaron finalmente 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 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 sorprendente. Después de 10 ciclos de carga, los factores más importantes eran las propiedades individuales de las partículas, incluyendo 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 la orientación similar de las partículas más alargadas y con forma de balón de fútbol- impulsaron la descomposición de las partículas.
"Ya no es sólo la partícula en sí. Lo que importa son las interacciones partícula-partícula", afirma Liu. "Eso 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."
Lin añadió: "Hemos estado investigando mucho sobre cómo conseguir que las baterías de los vehículos eléctricos funcionen eficazmente en condiciones de carga rápida y baja temperatura".
"Más allá de diseñar nuevos materiales que puedan reducir el coste de las baterías utilizando materias primas más baratas y abundantes, nuestro laboratorio también ha estado trabajando en la comprensión de los comportamientos de las baterías lejos del equilibrio", dijo Lin. "Hemos empezado a estudiar los materiales de las baterías y su respuesta a estas duras condiciones".
Zhao, profesor de Purdue y coautor, comparó el problema de la degradación con las personas que trabajan en grupo. "Las partículas de las baterías son como las personas: todos empezamos a ir a nuestro aire", dijo Zhao. "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 esas partículas se comportan en grupo."
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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