Investigadores han identificado una causa clave del deterioro de las baterías que alimentan desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos.
Este trabajo representa un paso crítico hacia el desarrollo de baterías más rápidas, fiables y duraderas.
El equipo de investigación de la Universidad de Texas en Austin, la Universidad de Northeastern, la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Argonne descubrió que cada ciclo de carga y descarga provoca que las baterías se expandan y contraigan, de manera similar a la respiración humana. Esta acción causa una ligera deformación de los componentes de la batería, generando tensión y debilitándola con el tiempo. Este fenómeno, conocido como “degradación chemomecánica”, conduce a una reducción del rendimiento y la vida útil.
Los hallazgos arrojan nueva luz sobre un problema que ha desconcertado a científicos e ingenieros de todo el mundo.
“Con cada ‘respiración’ de la batería, existe un grado de irreversibilidad”, afirma Yijin Liu, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica y del Instituto de Materiales de Texas de la Escuela de Ingeniería Cockrell y líder del estudio publicado en Science. “Este efecto se acumula con el tiempo, provocando finalmente el fallo de la celda.”
Uno de los descubrimientos clave fue la identificación de “cascadas de tensión”, una reacción en cadena en la que el estrés 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 estrés electroquímico”, explica 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 tensiones localizadas que pueden provocar 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 aplicar presión controlada a 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 sustancialmente la utilidad y la durabilidad de las baterías”, afirma Jason Croy, coautor y líder del Grupo de Investigación de Materiales del Laboratorio Nacional Argonne.
“Comprender cómo el diseño de los electrodos influye en su respuesta al estrés es un paso crítico para ampliar los límites de lo que las baterías pueden hacer.”
Para descubrir esta nueva información, el equipo de investigación empleó técnicas avanzadas de imagen para observar los electrodos de las baterías en tiempo real durante la carga y descarga. Utilizando herramientas de última generación como la microscopía de rayos X de transmisión operando (TXM) y la laminografía de rayos X 3D, capturaron imágenes detalladas de cómo se mueven e interactúan las partículas dentro de los electrodos.
Los investigadores observaron por primera vez esta dinámica en un dispositivo utilizado para otro proyecto de investigación, unos auriculares comerciales. Los investigadores planean continuar por este camino, 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 de Vehículos del Departamento de Energía de EE. UU. Investigadores adicionales de UT, la Universidad de Northeastern, Sigray Inc., Stanford y el Laboratorio Nacional SLAC y el Laboratorio Nacional Argonne contribuyeron al trabajo.
Fuente: UT Austin
