Los automóviles eléctricos se basan en la misma tecnología de batería de iones de litio que se encuentra en los teléfonos inteligentes, portátiles y prácticamente todo lo electrónico.

Pero la tecnología ha tardado en mejorar. Si bien los autos eléctricos pueden manejar con creces el viaje diario de un estadounidense promedio, el automóvil promedio a gasolina aún puede ir más lejos con un tanque lleno de gasolina, las estaciones de carga son escasas y se tarda mucho más en cargar una batería que en llenar un tanque.

Para mejorar la capacidad de carga de las baterías de iones de litio y aumentar la adopción de automóviles eléctricos, la industria tendrá que volver a la ciencia básica de cómo se desgastan las baterías con el tiempo.

Un equipo de investigadores de varios institutos ha desarrollado la vista más completa hasta ahora de los electrodos de baterías de iones de litio, donde la mayoría de los daños ocurren típicamente al cargarlos repetidamente. Los fabricantes podrían usar esta información para diseñar baterías para su teléfono inteligente o automóvil que sean más confiables y duraderas. dicen los investigadores.

"La creación de conocimiento es a veces más valiosa que resolver el problema del daño del electrodo de la batería, "dijo Kejie Zhao, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Purdue. "Antes, la gente no tenía las técnicas o la teoría para comprender este problema ".

La técnica, explicado en las revistas Materiales energéticos avanzados y el Revista de Mecánica y Física de Sólidos , es esencialmente una herramienta de rayos X impulsada por inteligencia artificial. Puede escanear automáticamente miles de partículas en un electrodo de batería de iones de litio a la vez, hasta los átomos que componen las partículas en sí, utilizando algoritmos de aprendizaje automático.

Otorgado, en realidad, hay millones de partículas en un electrodo de batería. Pero los investigadores ahora pueden analizarlos más a fondo que antes, y en las diversas condiciones de funcionamiento en las que usamos baterías comerciales en el mundo real, como su ventana de voltaje y la rapidez con la que se cargan.

"La mayor parte del trabajo se ha centrado en el nivel de una sola partícula y en el uso de ese análisis para comprender toda la batería. Pero, obviamente, hay una brecha allí; hay muchas diferencias entre una sola partícula a una escala de micrones y toda la batería a una escala mucho mayor". "dijo Zhao, cuyo laboratorio estudia la ciencia fundamental de cómo los aspectos mecánicos y electroquímicos de una batería se afectan entre sí.

Cada vez que se carga una batería, Los iones de litio viajan de un lado a otro entre un electrodo positivo y un electrodo negativo. Estos iones interactúan con partículas en electrodos, provocando que se agrieten y se degraden con el tiempo. El daño del electrodo reduce la capacidad de carga de una batería.

Es difícil que una batería tenga una gran capacidad y sea confiable al mismo tiempo, Dice Zhao. Aumentar la capacidad de una batería a menudo significa sacrificar su confiabilidad.

El trabajo de los investigadores para trazar un mapa de los daños en las baterías de iones de litio comenzó con su descubrimiento de que la degradación de las partículas de las baterías no ocurre al mismo tiempo ni en el mismo lugar; algunas partículas fallan más rápidamente que otras.

Pero para estudiar esto realmente con más detalle, el equipo necesitaba crear una nueva técnica en conjunto; los métodos existentes no capturarían por completo el daño en los electrodos de la batería.

Los investigadores se volvieron masivos, instalaciones de millas de largo llamadas sincrotrones en la Instalación Europea de Radiación de Sincrotrón (ESRF) y la Fuente de Luz de Radiación de Sincrotrón de Stanford (SSRL) del Laboratorio Nacional SLAC. Estas instalaciones albergan partículas que viajan casi a la velocidad de la luz, emitiendo radiación que se utiliza para crear imágenes llamadas rayos X de sincrotrón.

Los investigadores de Virginia Tech fabricaron los materiales y las baterías para realizar las pruebas, desde las baterías tipo bolsa de los teléfonos inteligentes hasta las de los relojes. Los investigadores de ESRF y SSRL crearon la capacidad de escanear tantas partículas de electrodos en estas baterías como sea posible de una sola vez. luego produzca estas imágenes de rayos X para su análisis. Mapas de agrietamiento y degradación de partículas en la superficie de partículas, llamado "desunión interfacial, "ahora puede servir como una herramienta de referencia para conocer los diferentes grados de daño en los electrodos de la batería.

Para comprender cómo estas grietas afectan el rendimiento de la batería, El equipo de Zhao en Purdue desarrolló teorías y herramientas computacionales. Ellos encontraron, por ejemplo, eso debido a que las partículas cerca de donde los iones de litio se mueven de un lado a otro, llamado "separador, "se utilizan más que las partículas cercanas al fondo de los materiales de los electrodos, fallan más rápidamente.

Esta variabilidad en el daño de las partículas del electrodo, o "degradación heterogénea, "es más severo en electrodos más gruesos y durante condiciones de carga rápida.

"La capacidad de las baterías no depende de cuántas partículas haya en la batería; lo que importa es cómo se utilizan los iones de litio, "Dijo Zhao.

El objetivo del proyecto no es que todos los investigadores y actores de la industria utilicen la técnica en sí, especialmente dado que solo hay un puñado de sincrotrones en los EE. UU., Sino que estos grupos utilicen el conocimiento generado a partir de la técnica. Los investigadores planean continuar usando la técnica para documentar cómo ocurre el daño y cómo afecta el rendimiento de las baterías comerciales.