Un aparato utilizado para cargar baterías de celda de moneda de iones de litio a varias velocidades con diferentes niveles de corriente en el Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Stanford. Los resultados indican que es posible que se hayan sobrestimado los beneficios del drenaje y la carga lentos. Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Una mirada completa a cómo se comportan las partículas diminutas en un electrodo de batería de iones de litio muestra que la carga rápida de la batería y su uso para hacer alta potencia, el trabajo de drenaje rápido puede no ser tan dañino como los investigadores habían pensado, y que los beneficios del drenaje y la carga lentos pueden haber sido sobreestimados.
Los resultados desafían la opinión predominante de que "sobrecargar" las baterías siempre es más difícil para los electrodos de la batería que cargar a velocidades más lentas. según investigadores de la Universidad de Stanford y el Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES) en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía.
También sugieren que los científicos pueden modificar los electrodos o cambiar la forma en que se cargan las baterías para promover una carga y descarga más uniforme y extender la vida útil de la batería.
"El detalle de lo que sucede en un electrodo durante la carga y descarga es solo uno de los muchos factores que determinan la vida útil de la batería. pero es uno que, hasta este estudio, no fue entendido adecuadamente, "dijo William Chueh de SIMES, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Stanford y autor principal del estudio. "Hemos encontrado una nueva forma de pensar sobre la degradación de la batería".
Los resultados, él dijo, se puede aplicar directamente a muchos electrodos de óxido y grafito que se utilizan en las baterías comerciales de iones de litio de hoy en día y en aproximadamente la mitad de las que están en desarrollo.
Su equipo describió el estudio el 14 de septiembre 2014, en Materiales Naturales. El equipo incluyó colaboradores del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Laboratorios Nacionales Sandia, Samsung Advanced Institute of Technology America y Lawrence Berkeley National Laboratory.
El estudiante graduado de la Universidad de Stanford, Yiyang Li, prueba baterías de celda de moneda de iones de litio en el Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford. Li y sus colegas investigaron cómo miles de millones de nanopartículas en el electrodo positivo de la batería responden a varias velocidades de carga y descarga. Los resultados muestran que cargar y agotar rápidamente la batería puede no ser tan dañino como se pensaba anteriormente. Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Observación de iones en cortes de batería
Una fuente importante de desgaste de la batería es la hinchazón y el encogimiento de los electrodos negativos y positivos a medida que absorben y liberan iones del electrolito durante la carga y descarga.
Para este estudio, los científicos observaron un electrodo positivo hecho de miles de millones de nanopartículas de fosfato de hierro y litio. Si la mayoría o todas estas partículas participan activamente en la carga y descarga, absorberán y liberarán iones de forma más suave y uniforme. Pero si solo un pequeño porcentaje de partículas absorbe todos los iones, es más probable que se agrieten y se arruinen, degradando el rendimiento de la batería.
Estudios anteriores produjeron opiniones contradictorias sobre cómo se comportaban las nanopartículas. Para sondear más, los investigadores fabricaron pequeñas baterías de tipo botón, los cargó con diferentes niveles de corriente durante varios períodos de tiempo, Los desarmó rápidamente y enjuagó los componentes para detener el proceso de carga / descarga. Luego cortaron el electrodo en rodajas extremadamente delgadas y las llevaron al laboratorio de Berkeley para su examen con intensos rayos X del sincrotrón de fuente de luz avanzada. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Un investigador de Stanford / SLAC sostiene el electrodo positivo de una batería de celda de moneda de iones de litio utilizada en experimentos. Los científicos cargaron estas baterías con diferentes niveles de corriente durante varios períodos de tiempo, los desarmó y usó un haz de rayos X brillante para ver cómo se distribuía la carga entre miles de millones de nanopartículas en el electrodo positivo. Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Nuevos conocimientos sobre descargas más rápidas
"Pudimos observar miles de nanopartículas de electrodos a la vez y obtener instantáneas de ellas en diferentes etapas durante la carga y descarga, "dijo el estudiante graduado de Stanford, Yiyang Li, autor principal del informe. "Este estudio es el primero en hacerlo de manera integral, en muchas condiciones de carga y descarga ".
Analizando los datos utilizando un modelo sofisticado desarrollado en MIT, los investigadores descubrieron que solo un pequeño porcentaje de nanopartículas absorbían y liberaban iones durante la carga, incluso cuando se hizo muy rápidamente. Pero cuando las baterías se descargaron, sucedió algo interesante:a medida que la tasa de descarga aumentaba por encima de un cierto umbral, más y más partículas comenzaron a absorber iones simultáneamente, cambiando a un modo más uniforme y menos dañino. Esto sugiere que los científicos pueden modificar el material del electrodo o el proceso para obtener tasas más rápidas de carga y descarga mientras mantienen una larga duración de la batería.
El siguiente paso, Li dijo:es hacer funcionar los electrodos de la batería a través de cientos o miles de ciclos para imitar el rendimiento del mundo real. Los científicos también esperan tomar instantáneas de la batería mientras se carga y descarga. en lugar de detener el proceso y desarmarlo. Esto debería producir una vista más realista, y se puede hacer en sincrotrones como ALS o la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford de SLAC, también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Li dijo que el grupo también ha estado trabajando con la industria para ver cómo estos hallazgos podrían aplicarse en los sectores de transporte y electrónica de consumo.
