Las baterías se utilizan ampliamente en aplicaciones cotidianas como alimentar vehículos eléctricos, aparatos electrónicos y son candidatos prometedores para el almacenamiento de energía sostenible. Sin embargo, como probablemente haya notado con la carga diaria de baterías, su funcionalidad disminuye con el tiempo. Finalmente, necesitamos reemplazar estas baterías, lo cual no solo es caro sino que también agota los elementos de tierras raras que se utilizan en su fabricación.

Un factor clave en la reducción de la vida útil de la batería es la degradación de la integridad estructural de la batería. Para desalentar la degradación estructural, un equipo de investigadores de la Facultad de Ingeniería de USC Viterbi espera introducir "estiramiento" en los materiales de la batería para que se puedan reciclar repetidamente sin fatiga estructural. Esta investigación fue dirigida por Ananya Renuka-Balakrishna, WiSE Gabilan Profesor Asistente de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, y candidato a doctorado de USC Viterbi, Delin Zhang, así como investigadores de la Universidad de Brown del grupo del profesor Brian Sheldon. Su trabajo fue publicado en el Revista de Mecánica y Física de Sólidos .

Una batería típica funciona mediante un ciclo repetitivo de inserción y extracción de iones de litio de los electrodos, Dijo Zhang. Esta inserción y extracción expande y comprime las celosías de los electrodos. Estos cambios de volumen crean microgrietas, fracturas y defectos a lo largo del tiempo.

"Estas microfisuras y fracturas en el material de la batería conducirán a la degradación estructural, lo que eventualmente disminuirá la capacidad de la batería, ", Dijo Zhang." En última instancia, la batería tendrá que ser reemplazada por una nueva ".

Para desalentar esto, Zhang, quien estudia los materiales de intercalación, una clase de materiales utilizados como electrodos en las baterías de iones de litio, estira estos electrodos de intercalación antes de tiempo. Este cambio en el estado de tensión inicial regula los voltajes de transformación de fase, lo que hace que los electrodos sean más resistentes a la fractura o amorfización (perdiendo sus propiedades cristalinas).

Voltaje más amplio, mayor capacidad

Transformaciones de fase, cuando los materiales de la batería cambian de forma física, son el resultado del ciclo de expansión y compresión que acompaña a la carga y al uso diarios. Dijo Zhang:"Estas transformaciones de fase pueden hacer que los electrodos sean más susceptibles a la degradación estructural, especialmente cuando el proceso se repite con tanta frecuencia ".

La reversibilidad de las fases es clave para permitir que las baterías mantengan una funcionalidad eficiente a lo largo del tiempo. Dijo Renuka-Balakrishna:"La reversibilidad se mejora más al asegurarse de que el material permanezca en su forma cristalina. A ciertos voltajes, cuando los materiales pasan de una fase a otra, pueden volverse polvorientos, que no es ideal para el funcionamiento eficiente de la batería ".

Los investigadores se preguntaron entonces:"¿Hay alguna manera de mantener los materiales de la batería en su forma cristalina mientras se alternan entre paisajes energéticos?" La respuesta:cambiar la estructura de los materiales introduciendo un estado de tensión inicial.

Dijo Zhang:"Al estirar los electrodos antes de cargar y descargar, estamos cambiando el panorama energético a través del cual un electrodo pasa del estado cargado al descargado. Esta deformación inicial nos permite reducir la barrera de energía para estas transformaciones y evitar deformaciones perjudiciales de la celosía que conducen a la falla del material. Este cambio en el panorama energético ayuda a prevenir microgrietas y fracturas, protegiendo la sostenibilidad de la batería y la capacidad de almacenamiento de energía ".

Un beneficio adicional, Renuka-Balakrishna dijo:es que al estirar los electrodos, la batería también puede funcionar en una ventana de voltaje más amplia, haciéndolo más eficiente en su capacidad de almacenamiento de energía.

Desafíos del almacenamiento de energía moderno

Una de las principales preocupaciones de la comunidad de almacenamiento de energía, Renuka-Balakrishna dijo:se aleja de los electrolitos líquidos inflamables que se utilizan normalmente en las baterías y los coloca en materiales sólidos. "Esto presenta nuevos desafíos, " ella dijo.

Objetos sólidos como todos sabemos, puede deteriorarse con el tiempo cuando se estresa repetidamente. Una vez que se introduce una grieta, los dos lados de una superficie perderán contacto. En el caso de la batería, crea un simple problema de mecánica; sin la conexión, es difícil transportar iones a través del material, Dijo Renuka-Balakrishna.

Enfoques como el identificado por Zhang son un intento de avanzar hacia un enfoque más seguro, baterías más sostenibles al abordar este desafío mecánico. La novedad de este enfoque es, en lugar de encontrar un nuevo material para mejorar la vida útil de la batería, puede mejorar la vida útil de un material existente mediante la introducción de conceptos mecánicos fundamentales para mejorar su vida útil, dijeron los investigadores.

"La mecánica no siempre ha sido una parte integral del desarrollo de baterías, ", Dijo Renuka-Balakrishna." Pero ahora los ingenieros pueden jugar con esta teoría / herramienta que Zhang ha creado y trabajar para diseñar la vida útil de los materiales de las baterías ".

Mejorar la vida útil de las baterías beneficiaría a los usuarios de dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos al permitir un uso más prolongado de los dispositivos y minimizar el reemplazo de la batería. Dijo Zhang. Dado el costo de una batería de iones de litio, también podría ahorrar a los usuarios mucho dinero con el tiempo.

Más que eso, Zhang dijo que el almacenamiento de energía sostenible es una parte importante para reducir las emisiones dañinas de gases de efecto invernadero y reducir el desperdicio de baterías. y esperamos con nuestro trabajo abrir una nueva línea de investigación para potenciar la reversibilidad del material.