Tecnología para "ver" en las baterías comerciales
Controlar y estudiar la química de una batería es crucial para mejorar su diseño
Un equipo de investigación multidisciplinar en el que participan científicos del Collège de France, el CNRS, la Université Rennes 1 y la Université de Montpellier ha desarrollado un método para monitorizar la química del interior de una batería, en directo, a lo largo de sus múltiples cargas y descargas. Presentada en Nature Energy el 7 de noviembre de 2022, esta tecnología abre el camino para mejorar el rendimiento y el diseño de las futuras baterías.
Una pila atravesada por una fibra óptica de vidrio calcogenuro que transporta la luz en el rango infrarrojo. La interacción de esta luz con los componentes de la pila permite identificar y controlar las moléculas químicas presentes alrededor de la fibra.
© Frédérique PLAS / CSE / CNRS Photothèque
Diagrama de la propagación de la luz infrarroja a través del núcleo de una fibra óptica de vidrio de composición: Te2As3Se5 (TAS). En la superficie de la fibra se crea una onda evanescente que puede interactuar con las moléculas circundantes. La fibra TAS pasa por el vacío en el centro de una batería 18650. De este modo, se pueden observar los enlaces químicos correspondientes al electrolito durante su uso.
© Gervillié-Mouravieff et al./Collège de France
Las baterías ofrecen la posibilidad de almacenar energía en forma química: cuando se cargan, la corriente fuerza reacciones químicas y se almacena energía, luego, cuando se descargan, una reacción electroquímica espontánea hace que los electrones del sistema se muevan en sentido inverso. La energía se libera para crear una corriente eléctrica.
Controlar y estudiar la química de una batería es, por tanto, crucial para entender su funcionamiento, pero también para mejorar su diseño. Aunque esto es fácil de hacer en el laboratorio, es mucho menos fácil cuando se integra en un sistema. Pero un equipo de investigación multidisciplinar1 dirigido por científicos del Laboratorio de Química del Estado Sólido y de la Energía (CNRS/Collège de France/Universidad de la Sorbona) acaba de desarrollar un método para controlar la química de una batería comercial, en vivo, durante su carga o descarga.
La tecnología, presentada en un artículo publicado en Nature, se basa en el transporte de luz infrarroja en fibras ópticas de vidrio calcogenuro colocadas a través de una pila. La interacción de esta luz con los componentes de la pila permite identificar y seguir las moléculas químicas presentes alrededor de la fibra.
Los investigadores pudieron así observar la evolución de los electrolitos y la inserción/extracción de iones de sodio-litio en los electrodos en función de la carga. Y esto se hizo mientras estaba en uso, ¡una primicia! Con este sistema, los científicos también pudieron estudiar la interfaz entre el electrolito y el material del electrodo negativo, conocida como la interfase del electrolito sólido (SEI). Esta capa, que es a la vez conductora de iones y aislante de electrones, determina la longevidad de las baterías. En particular, el equipo pudo controlar in situ la naturaleza de las especies químicas que intervienen en la nucleación y el crecimiento del SEI que tiene lugar durante la primera carga de una batería.
Desde un punto de vista práctico, estos resultados allanan el camino para un diseño más fácil y mejor de las baterías. Actualmente, la optimización de los electrolitos y de los protocolos de prueba de carga lleva mucho tiempo para encontrar la mejor opción para un SEI ideal, y así mejorar la longevidad de una batería. Con este nuevo método, es posible ver con rapidez y precisión cómo evoluciona cada componente de la receta, interactúa con los demás e influye en el rendimiento de la batería. El equipo de investigación sigue trabajando, centrándose en el SEI, y espera desvelar todos sus secretos.
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Publicación original
Charlotte Gervillié-Mouravieff, Catherine Boussard-Plédel, J. Huang, Cédric Leau, L. Albero Blanquer, Mouna Ben Yahia, Marie-Liesse. Doublet, S. T. Boles, Xianghua H. Zhang, Jean-Luc Adam et Jean-Marie Tarascon; "Unlocking cell chemistry evolution with in-operando fiber optic IR spectroscopy in commercial Na(Li)-ion batteries."; Nature Energy, 2022.
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