¿Cómo cambian las propiedades de las baterías de iones de litio cuando se descargan?
La Universidad Técnica de Viena ha conseguido desarrollar nuevos modelos que permiten describir con gran precisión el comportamiento de las baterías de iones de litio durante los procesos de carga y descarga.
Desde las baterías de los teléfonos móviles hasta los coches eléctricos: las baterías de iones de litio forman parte de nuestra vida cotidiana desde hace mucho tiempo. Incluso el Premio Nobel de Química fue concedido en 2019 por la invención de este tipo de baterías. Sin embargo, describir los procesos de las baterías de iones de litio con precisión técnica es difícil. Como ha demostrado ahora el equipo de investigación de electroquímica de TU Wien, las propiedades del material pueden cambiar drásticamente durante el proceso de carga.
Con la ayuda de numerosos experimentos, el equipo ha logrado desarrollar una descripción matemática práctica de estos cambios. Esto permite calcular cómo cambia el voltaje de la batería en función del estado de carga. Ahora incluso es posible obtener información sobre el estado interno del material del electrodo a partir del comportamiento eléctrico de la batería.
El proceso de carga modifica el material
Los materiales de electrodo que contienen iones de litio móviles son cruciales para la construcción de una batería de iones de litio. Al principio, cada uno de estos iones se asienta en el lugar que le corresponde en uno de los dos electrodos, y la batería está completamente descargada. Si a continuación se aplica una tensión eléctrica, los iones de litio cargados positivamente comienzan a desplazarse hacia el otro electrodo, dejando vacantes en el cristal.
Cuanto menor es el número de iones de litio restantes, mayor es la tensión que hay que aplicar para sacar los últimos iones del cristal hasta que, en el mejor de los casos, se han eliminado todos los iones de litio, con lo que la pila está completamente cargada.
"Para ello se pueden utilizar distintos materiales que contengan litio", explica Andreas Bumberger, primer autor de la presente publicación, que trabaja en su tesis doctoral en el equipo del profesor Jürgen Fleig en el Instituto de Tecnologías Químicas y Analíticas de la Universidad Técnica de Viena.
A menudo se intenta describir el movimiento de los iones de litio en este tipo de materiales con la ayuda de un único parámetro: el coeficiente de difusión. Pero el equipo de la Universidad Técnica de Viena ha demostrado que esto no es suficiente. "Al fin y al cabo, el material cambia radicalmente durante la carga", explica Andreas Bumberger. "Empezamos con un cristal que contiene mucho litio y, al final, tenemos un cristal casi sin litio. Las propiedades del material cambian en consecuencia". Así que hay que entender el proceso de carga como un cambio dinámico del material.
Un término medio
Una forma de hacerlo sería calcular el curso de la tensión de la batería a nivel atómico con fórmulas de física cuántica, por ejemplo, con ayuda de la teoría del funcional de la densidad. En la práctica, sin embargo, esto sólo es de ayuda limitada si se quiere entender mejor los materiales de las pilas. Estos cálculos llevan mucho tiempo y, además, es difícil establecer de este modo una conexión sencilla entre el voltaje y los distintos defectos del material.
Por eso, el equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena intentó un camino intermedio: desarrolló un modelo que, por un lado, no se limita a describir los materiales con un solo parámetro, sino que tiene en cuenta la transformación continua del material durante el proceso de carga, pero que, por otro, es más sencillo y descriptivo que una descripción físico-cuántica del material a nivel atómico.
Una mirada al interior del material, sin microscopio
"Como mostramos en nuestro artículo actual, nuestro modelo se ajusta de forma excelente a los datos que obtuvimos de las mediciones espectroscópicas de impedancia", afirma Andreas Bumberger. "Analizamos cómo cambia el comportamiento eléctrico de la batería a medida que cambia su estado de carga. Y a partir de los datos medidos, podemos utilizar nuestro modelo para obtener información valiosa sobre los procesos atómicos durante la carga".
De este modo, por ejemplo, podemos ver qué tipo de defectos tiene el material, si tal vez hay átomos erróneos en algunos lugares o si la red cristalina presenta ciertas irregularidades, y todo ello sin mirar por el microscopio, sólo a partir de las mediciones eléctricas. "Esto nos facilita mucho la investigación básica sobre nuevos tipos de baterías", afirma el Prof. Fleig. "Es un paso importante en la comprensión de muchos materiales que seguirán desempeñando un papel importante en el desarrollo de baterías recargables en el futuro".
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 Alemán se puede encontrar aquí.
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