El investigador de Canadian Light Source (CLS), Toby Bond, utiliza rayos X para ayudar a diseñar potentes baterías de vehículos eléctricos con una vida útil más larga. Su investigación, publicada en el Journal of the Electrochemical Society , muestra cómo los ciclos de carga/descarga de las baterías causan daños físicos que eventualmente conducen a una reducción del almacenamiento de energía. Este nuevo trabajo apunta a un vínculo entre las grietas que se forman en el material de la batería y el agotamiento de los líquidos vitales que transportan la carga.

Bond utiliza las instalaciones de BMIT en Canadian Light Source en la Universidad de Saskatchewan para producir tomografías computarizadas detalladas del interior de las baterías. Trabajando con el Dr. Jeff Dahn en la Universidad de Dalhousie, se especializa en baterías para vehículos eléctricos, donde el imperativo de la investigación es almacenar la mayor cantidad de energía posible en un dispositivo liviano.

"Un gran inconveniente de almacenar más energía es que, por lo general, cuanta más energía se acumula, más rápido se degradará la batería", dice Bond.

En las baterías de iones de litio, esto se debe a que la carga obliga físicamente a los iones de litio entre otros átomos en el material del electrodo, separándolos. Agregar más carga provoca un mayor crecimiento en los materiales, que se encogen cuando los iones de litio se van. A lo largo de muchos ciclos de este crecimiento y contracción, comienzan a formarse microfisuras en el material, lo que reduce lentamente su capacidad para retener una carga.

"Eventualmente puede hacer que los materiales de la batería se desmoronen de adentro hacia afuera. Si se vuelve lo suficientemente malo, puede causar que partes de la batería se desprendan por dentro", dice Bond. "Y si causa daños a gran escala dentro de la batería, eso también puede convertirse en un problema de seguridad".

Estudiar este problema, y ​​cuán efectivos son los recubrimientos y otros tratamientos para detenerlo, ha sido importante en el campo durante mucho tiempo. Tradicionalmente, las grietas que se forman en una batería se han estudiado desarmando la batería y observando partículas individuales bajo un microscopio electrónico. Esto destruye la batería, por lo que no permite a los investigadores preservar la estructura más grande y ver qué otros efectos podría tener este agrietamiento en el resto de la batería.

Mediante el uso de imágenes de rayos X en el CLS, Bond dice que los investigadores pueden estudiar estos efectos en contexto y ver cómo el agrietamiento provoca cambios en el resto de la batería. En este estudio, los investigadores descubrieron que a medida que empeoraban las microfisuras en la batería, los líquidos de la celda eran absorbidos por el espacio adicional entre las fisuras, lo que podría no dejar suficiente líquido para todos.

"Esta es la primera vez que alguien ha podido capturar todos estos efectos que suceden juntos en una batería en funcionamiento", dice Bond. "Este agotamiento del electrolito líquido puede causar serios problemas, ya que cualquier parte de la batería que no reciba suficiente líquido esencialmente dejará de funcionar".

En este estudio, Bond y sus colegas estudiaron baterías que se habían cargado y descargado continuamente a diferentes niveles durante años, junto con baterías idénticas que no se habían usado en absoluto. Los escaneos de rayos X en 3D que recolectaron usando la luz brillante y enfocada de BMIT les permitieron ver con precisión cómo los diferentes materiales se vieron afectados por el uso, tanto a escala microscópica como en toda la batería.

¿Una comida para llevar práctica? El equipo descubrió que agotar la batería una pequeña cantidad causaba menos deterioro que descargarla por completo. Es probable que esto se deba a que un cambio menor en la carga causa menos tensión física en los materiales de los electrodos de la batería con el tiempo. Es importante comprender este efecto para nuevas aplicaciones, como el transporte de larga distancia, los aviones eléctricos y el uso de vehículos eléctricos estacionados para almacenar y entregar energía a la red eléctrica. Estos escenarios a menudo requieren usar más de la capacidad total de la batería antes de recargarla.

"A medida que comenzamos a reemplazar más y más vehículos de combustión por vehículos eléctricos, es realmente importante comprender cómo se comportarán las baterías en diferentes condiciones", dice Bond. "Es muy emocionante trabajar en estos problemas, y realmente necesitamos herramientas como los sincrotrones para comprender los detalles finos de lo que sucede dentro de la batería cuando probamos nuevos enfoques". + Explora más

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