Un nuevo detector de radiofrecuencia delgado como el papel diseñado para funcionar dentro de una batería de iones de litio proporciona información sobre el estado de la batería mientras se carga y descarga.

"Podría permitir a los investigadores verificar el funcionamiento y la capacidad de una batería después de años de almacenamiento sin destruirla, "dijo Eric Sorte, físico de Sandia National Laboratories.

La obra, financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorios de Sandia ayudará a los investigadores a comprender y caracterizar mejor las baterías para mejorarlas para el almacenamiento renovable y aplicaciones de seguridad nacional. Los fabricantes también pueden usar esto algún día para realizar pruebas de diagnóstico, Dijo Sorte.

Detector de resonancia magnética movido dentro de la batería

Como una batería de iones de litio alimenta un dispositivo electrónico y luego se recarga, En el interior ocurren cambios químicos y físicos que reducen su función con el tiempo. Los productos secundarios moleculares se forman cuando los iones de litio se anidan y salen de cada electrodo. Estas moléculas pueden consumir el litio activo y reducir la capacidad de una batería. Los electrodos también pueden sufrir cambios químicos no deseados, reduciendo su capacidad para mantenerse cargados. Pueden crecer picos microscópicos de litio en la superficie de un electrodo, consumiendo iones portadores de carga clave y creando condiciones potencialmente inflamables.

A medida que los investigadores trabajan para mejorar el rendimiento de las baterías de iones de litio, modifican los componentes químicos de una batería y hacen que el sistema pase por muchas cargas y descargas. Luego abren la batería y examinan los materiales bajo un microscopio para ver cómo han cambiado su estructura y composición.

Los investigadores podrían obtener esa información mucho más rápido si pudieran monitorear las condiciones dentro de una batería mientras se carga y descarga. Una forma en que lo hacen actualmente es con una técnica que utiliza los mismos principios que las imágenes por resonancia magnética en los hospitales. Este método proporciona pistas sobre la estructura y el entorno de una molécula al observar las señales de un elemento específico en esa molécula.

Así es como funciona:Primero, el instrumento envía un pulso de ondas de radio adaptadas para interactuar con un núcleo atómico específico en elementos como el litio, azufre o hidrógeno. A medida que un núcleo vuelve a su estado original, emite una señal que cambia de manera predecible dependiendo del entorno de un átomo.

Los investigadores han utilizado esta técnica para observar los cambios químicos en las baterías antes, pero tuvieron que modificar los componentes de la batería de formas que no existen en las baterías que funcionan. Este nuevo detector, creado por Sorte junto con el científico de materiales de Sandia Todd Alam y otros colegas, está diseñado para funcionar con baterías, ya que están hechas para el uso diario. Es más delgado que una hoja de papel y se puede hacer para que quepa dentro de una batería de cualquier forma.

Los investigadores ya lo han deslizado dentro de una batería disponible comercialmente. Se imaginan un día insertando la tira detectora dentro de una batería durante la fabricación, por lo que ya contiene el componente necesario para una verificación de estado rápida.

Las señales específicas de los componentes moleculares indican carga, cambios químicos

Usando este detector, Sorte y sus colegas pueden ver señales únicas para los iones de litio a medida que interactúan con el material en cada electrodo. Esto les permite rastrear cuánta carga tiene una batería durante los ciclos repetidos de carga y descarga; la disminución de la capacidad es una señal de que la batería se está agotando.

Los investigadores también pueden ver señales únicas de moléculas producidas durante reacciones secundarias cuando funciona una batería. Pueden monitorear estos productos secundarios moleculares y luego ajustar los componentes químicos de una batería para reducir reacciones indeseables. Estos cambios pueden ayudarlos a mejorar las baterías para que tengan las propiedades necesarias para aplicaciones como el almacenamiento de energía renovable a gran escala. Los fabricantes también podrían usar este dispositivo algún día para realizar pruebas de diagnóstico con baterías, Dijo Sorte.

El mismo enfoque y la misma tira detectora podrían usarse para observar el funcionamiento interno de las baterías de flujo de vanadio y también otras químicas. añadió. Sorte también está trabajando en monitorear la vida interna de una batería usando los electrodos que ya están allí, para que no se necesiten componentes adicionales.