Investigadores de todo el mundo están buscando nuevas tecnologías de baterías, con el objetivo principal de aumentar la densidad de energía y reducir los tiempos de carga. En un avance significativo, un estudio realizado por un equipo de científicos de la Universidad de Michigan descubrió que las grietas en el electrodo positivo de las baterías de iones de litio pueden ayudar a reducir el tiempo de carga de la batería.
La percepción de grietas, que normalmente acortan la vida útil de las baterías, se resolvió mediante una técnica inspirada en la neurociencia. Esto contradice las creencias de muchos fabricantes de automóviles eléctricos, que creen que el cracking reduce la longevidad de la batería.
«Muchas empresas están interesadas en fabricar baterías de ‘millones de millas’ utilizando partículas que no se agrietan. Desafortunadamente, si se eliminan las grietas, las partículas de la batería no podrán cargarse rápidamente sin la superficie adicional de esas grietas», dijo Yiyang Li, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, en un comunicado de la universidad.
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El estudio fue publicado en la revista Energy and Environmental Sciences .
Aplicable a la mayoría de las baterías de vehículos eléctricos
Los investigadores estiman que su estudio se aplicará a más de la mitad de todas las baterías de automóviles eléctricos en las que el electrodo positivo (o cátodo) está formado por miles de millones de pequeñas partículas formadas por óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto o óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio.
«Teóricamente, la velocidad a la que se carga el cátodo se reduce a la relación superficie-volumen de las partículas. Las partículas más pequeñas deberían cargarse más rápido que las partículas más grandes porque tienen una mayor superficie en relación con el volumen, por lo que los iones de litio tienen distancias más cortas a difunde a través de ellos.»
Sin embargo, las técnicas tradicionales no podían detectar directamente las características de carga de las partículas catódicas individuales, sólo el promedio de todas las partículas que componen el cátodo de la batería. Debido a esta limitación, el vínculo comúnmente creído entre la velocidad de carga y el tamaño de las partículas del cátodo era sólo una suposición.
«Encontramos que las partículas del cátodo están agrietadas y tienen superficies más activas para absorber iones de litio, no solo en su superficie exterior, sino también dentro de las grietas de las partículas. Los científicos de baterías saben que se produce el agrietamiento, pero no han medido cuánto afecta el agrietamiento a la carga. velocidad», dijo Jinhong Min, estudiante de doctorado en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales involucrado en el proyecto.
Medir la velocidad de carga de las partículas catódicas individuales fue fundamental para determinar el beneficio de craquear los cátodos, lo que el equipo realizó introduciendo las partículas en un dispositivo que los neurocientíficos utilizan habitualmente para analizar cómo las células cerebrales individuales comunican impulsos eléctricos.
Tarifas de carga independientes del tamaño
El equipo diseñó matrices, que son dispositivos de 2 por 2 centímetros con hasta 100 microelectrodos. Se utilizó una aguja 70 veces más fina que un cabello humano para mover partículas individuales sobre sus electrodos en la matriz después de dispersar varias partículas catódicas en el centro del dispositivo. Podían cargar y descargar hasta cuatro partículas individuales a la vez en la matriz después de que las partículas estuvieran en su lugar, y esta investigación específica monitoreó 21 partículas.
El experimento encontró que las velocidades de carga de las partículas catódicas eran independientes de su tamaño. La explicación más plausible para este sorprendente comportamiento es que las partículas más grandes se comportan como un grupo de partículas más pequeñas cuando se rompen. Otra teoría es que los iones de litio viajan muy rápido en los límites de los granos, que son las grietas microscópicas entre los cristales a nanoescala que forman la partícula del cátodo. Li cree que esto es improbable a menos que el electrolito de la batería (el medio líquido en el que se mueven los iones de litio) penetre estos límites y forme fisuras.
Según el equipo, se deben tener en cuenta las ventajas de los materiales fisurados a la hora de construir baterías duraderas con partículas monocristalinas que no se rompan. Es posible que estas partículas deban ser más pequeñas que las dañinas partículas catódicas actuales para cargarse rápidamente. «La alternativa es fabricar cátodos monocristalinos con diferentes materiales que puedan mover el litio más rápido, pero esos materiales podrían estar limitados por el suministro de metales necesarios o tener densidades de energía más bajas», dijo Li.
A medida que la transición hacia los vehículos eléctricos se acelera en todo el mundo, la investigación espera arrojar luz sobre las creencias y los esfuerzos de los fabricantes para reducir el agrietamiento y garantizar la durabilidad de la batería.
Las partículas secundarias policristalinas de Li (Ni, Mn, Co) O2 (NMC) son los materiales catódicos más comunes para las baterías de iones de litio. Durante la (des)carga electroquímica, se cree que el litio se difunde a través de la masa y entra (sale) de la partícula secundaria en la superficie. Según este modelo, las partículas más pequeñas circularían más rápido debido a longitudes de difusión más cortas y relaciones superficie-volumen más grandes. En este trabajo, evaluamos esta suposición generalizada mediante el desarrollo de una nueva plataforma electroquímica de una sola partícula de alto rendimiento utilizando la matriz de electrodos múltiples de la neurociencia. Al medir los tiempos de reacción y difusión de 21 partículas individuales en electrolitos líquidos, no encontramos correlación entre el tamaño de las partículas y los tiempos de reacción o difusión, lo que contrasta marcadamente con el modelo de transporte de litio predominante. Proponemos que las reacciones electroquímicas ocurren dentro de las partículas secundarias, probablemente debido a la penetración del electrolito en las grietas. Nuestra plataforma electroquímica de una sola partícula de alto rendimiento abre aún más nuevas fronteras para una cuantificación estadística sólida de partículas individuales en sistemas electroquímicos.