Las baterías recargables de iones de litio no duran para siempre:después de suficientes ciclos de carga y recarga, eventualmente se agotan, por lo que los investigadores buscan constantemente formas de exprimir un poco más la vida útil de sus diseños de baterías.

Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y colegas de la Universidad de Purdue, Virginia Tech y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón han descubierto que los factores detrás del deterioro de las baterías en realidad cambian con el tiempo. Al principio, la descomposición parece ser impulsada por las propiedades de las partículas de electrodos individuales, pero después de varias docenas de ciclos de carga, lo que más importa es cómo se juntan esas partículas.

"Los bloques de construcción fundamentales son estas partículas que forman el electrodo de la batería, pero cuando se aleja, estas partículas interactúan entre sí", dijo el científico de SLAC Yijin Liu, investigador de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource del laboratorio y autor principal del estudio. nuevo papel. Por lo tanto, "si desea construir una batería mejor, debe ver cómo juntar las partículas".

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El nuevo estudio, publicado el 29 de abril en Science , se basa en investigaciones anteriores en las que Liu y sus colegas utilizaron técnicas de visión por computadora para estudiar cómo las partículas individuales que componen un electrodo de batería recargable se rompen con el tiempo. El objetivo esta vez era estudiar no solo las partículas individuales, sino también las formas en que trabajan juntas para prolongar, o degradar, la vida útil de la batería.

Keije Zhao, un profesor de ingeniería mecánica de Purdue que, junto con Liu y el profesor de química de Virginia Tech, Feng Lin, fue un autor principal, comparó el problema con las personas que trabajan en grupos. "Las partículas de la batería son como las personas:todos comenzamos siguiendo nuestro propio camino", dijo Zhao. "Pero eventualmente nos encontramos con otras personas y terminamos en grupos, yendo en la misma dirección. Para comprender la eficiencia máxima, necesitamos estudiar ambos el comportamiento individual de las partículas y cómo esas partículas se comportan en grupos".

Para explorar esa idea, los coautores Jizhou Li, becario postdoctoral de SSRL, y Nikhil Sharma, estudiante graduado de Purdue, se unieron a Liu, Lin y Zhao y otros colegas para estudiar los cátodos de las baterías con rayos X. Usaron tomografía de rayos X para reconstruir imágenes tridimensionales de los cátodos después de haber pasado por 10 o 50 ciclos de carga. Cortaron esas imágenes en 3D en una serie de cortes en 2D y utilizaron métodos de visión artificial para identificar partículas.

La vida de una batería

Al final, identificaron más de 2000 partículas individuales, para las cuales calcularon no solo las características de las partículas individuales, como el tamaño, la forma y la rugosidad de la superficie, sino también características más globales, como la frecuencia con la que las partículas entraban en contacto directo entre sí y la variación. las formas de las partículas eran.

A continuación, observaron cómo cada una de esas propiedades contribuía a la descomposición de las partículas y surgió un patrón sorprendente. Después de 10 ciclos de carga, los factores más importantes fueron las propiedades de las partículas individuales, incluida la forma esférica de las partículas y la relación entre el volumen de partículas y el área de superficie. Sin embargo, después de 50 ciclos, los atributos de pares y grupos, como qué tan separadas estaban dos partículas, qué tan variadas eran sus formas y si las partículas más alargadas con forma de pelota de fútbol estaban orientadas de manera similar, impulsaron la descomposición de las partículas.

"Ya no es solo la partícula en sí misma. Lo que importa son las interacciones partícula-partícula", dijo Liu. Eso es importante, dijo, porque significa que los fabricantes podrían desarrollar técnicas para controlar tales propiedades. Por ejemplo, podrían usar campos magnéticos o eléctricos para alinear partículas alargadas entre sí, lo que, según sugieren los nuevos resultados, daría como resultado una mayor duración de la batería.

Y, dijo el coautor principal y químico de Virginia Tech, Feng Lin, los resultados podrían aplicarse más allá de los detalles de la presente investigación. "Este estudio realmente arroja luz sobre cómo podemos diseñar y fabricar electrodos de batería para obtener un ciclo de vida prolongado para las baterías", dijo Lin. "Estamos entusiasmados de implementar la comprensión de las baterías de carga rápida, de bajo costo y de próxima generación". + Explora más

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