Investigadores han identificado una causa clave del deterioro de las baterías utilizadas en una amplia gama de dispositivos, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, un avance crucial para el desarrollo de baterías más rápidas, fiables y duraderas.
El equipo de investigación, compuesto por científicos de la Universidad de Texas en Austin, la Universidad Northeastern, la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Argonne, ha descubierto que cada ciclo de carga y descarga provoca la expansión y contracción de las baterías, un proceso similar a la respiración humana. Esta acción genera una ligera deformación de los componentes internos de la batería, ejerciendo tensión y debilitándola con el tiempo. Este fenómeno, conocido como “degradación químico-mecánica”, conduce a una reducción del rendimiento y la vida útil.
Estos hallazgos arrojan nueva luz sobre un problema que ha intrigado a científicos e ingenieros de todo el mundo.
“Con cada ‘respiración’ de la batería, hay un cierto grado de irreversibilidad”, explicó Yijin Liu, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y el Instituto de Materiales de Texas, y líder del estudio publicado en Science. “Este efecto se acumula con el tiempo, terminando por provocar el fallo de la celda.”
Uno de los descubrimientos clave fue la identificación de “cascadas de tensión”, una reacción en cadena en la que la tensión se acumula en una parte del electrodo y se propaga a las regiones vecinas. La naturaleza única y los movimientos impredecibles de los cientos de miles de partículas dentro de las baterías contribuyen a esta tensión.
“Pudimos observar que cada partícula se comporta de manera diferente bajo una tensión electroquímica”, explicó Juner Zhu, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial en Northeastern y uno de los coautores. “Algunas partículas se mueven rápidamente, como estrellas fugaces en el cielo, mientras que otras permanecen relativamente estables. Este comportamiento desigual crea una tensión localizada que puede conducir a grietas y otros daños.”
Al comprender cómo se desarrolla y se propaga la tensión, los ingenieros pueden crear electrodos más resistentes al estrés y la degradación. Por ejemplo, el estudio sugiere que la aplicación de una presión controlada sobre las celdas de la batería podría ayudar a mitigar la tensión y mejorar el rendimiento.
“Nuestro objetivo final es la creación de tecnologías avanzadas que puedan aumentar considerablemente la utilidad y la durabilidad de las baterías”, afirmó Jason Croy, coautor y responsable del grupo de investigación sobre materiales en el Laboratorio Nacional de Argonne. “Comprender cómo el diseño de los electrodos influye en su respuesta al estrés es un paso crítico para superar los límites de lo que las baterías pueden hacer.”
Para realizar estos nuevos descubrimientos, el equipo de investigación empleó técnicas de imagen avanzadas para observar los electrodos de la batería en tiempo real durante la carga y descarga. Utilizando herramientas de vanguardia como la microscopía de rayos X por transmisión operando (TXM) y la laminografía 3D de rayos X, capturaron imágenes detalladas de cómo las partículas dentro de los electrodos se mueven e interactúan.
Los investigadores observaron inicialmente esta dinámica en un dispositivo utilizado para otro proyecto de investigación, unos auriculares comerciales. Los investigadores planean continuar por esta vía, con el siguiente paso centrado en el desarrollo de modelos teóricos para comprender mejor las complejas interacciones entre los procesos químicos y mecánicos en los electrodos de las baterías.
La investigación fue financiada por la Oficina de Tecnologías Vehiculares del Departamento de Energía de Estados Unidos. Otros miembros del equipo son Tianxiao Sun, Guannan Qian, Wenlong Li, Shimao Deng y el profesor Guihua Yu del programa de ciencia e ingeniería de materiales y el departamento de ingeniería mecánica de la UT; Ruqing Fang de la Universidad Northeastern; Guibin Zan y Wenbing Yun de Sigray Inc.; Zhichen Xue, los profesores Will Chueh y Piero Pianetta de Stanford y el SLAC National Accelerator Laboratory; y Stephen E. Trask, Arturo Gutierrez y Luxi Li del Laboratorio Nacional de Argonne.
Fuente: Texas U.
