Identifican una razón clave por la que las baterías se deterioran con el tiempo
El trabajo es un paso fundamental hacia la construcción de baterías más rápidas, más confiables y más duraderas.
El equipo de investigación de la Universidad de Texas en Austin, la Universidad del Noreste, 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 forma similar a la respiración humana.
Esta acción provoca una mínima deformación de los componentes de la batería, lo que la somete a tensión y la debilita con el tiempo. Este fenómeno, conocido como "degradación quimiomecánica", reduce su rendimiento y vida útil.
Los hallazgos arrojan nueva luz sobre una cuestión que ha desconcertado a científicos e ingenieros de todo el mundo.
"Con cada respiración de la batería, se produce cierto grado de irreversibilidad", afirma Yijin Liu, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica Walker de la Escuela de Ingeniería Cockrell y del Instituto de Materiales de Texas, y líder del estudio. "Este efecto se acumula con el tiempo y, finalmente, provoca el fallo de la celda".
Uno de los descubrimientos clave fue la identificación de las "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 presentes en las baterías contribuyen a esta tensión.
"Pudimos observar que cada partícula se comporta de forma diferente bajo estrés electroquímico", afirma Juner Zhu, profesor adjunto 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 un estrés localizado que puede provocar grietas y otros daños".
Imagen: Los investigadores Guannan Qian, a la izquierda, y Tianxio Sun investigan el rendimiento de la batería en un laboratorio del Departamento de Ingeniería Mecánica Walker de la Escuela de Ingeniería Cockrell.
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 fundamental 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 la batería en tiempo real durante la carga y la descarga. Utilizando herramientas de vanguardia como la microscopía de rayos X de transmisión operando (TXM) y la laminografía de rayos X 3D, capturaron imágenes detalladas del movimiento e interacción de las partículas dentro de los electrodos.
Los investigadores observaron esta dinámica por primera vez en un dispositivo utilizado para otro proyecto de investigación: auriculares comerciales. Planean continuar en esta línea, y el siguiente paso se centrará en el desarrollo de modelos teóricos para comprender mejor las complejas interacciones entre los procesos químicos y mecánicos en los electrodos de las baterías.
El estudio se ha publicado en Science: Electrode strain dynamics in layered intercalation battery cathodes
