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Una nueva investigación examina las claves para hacer que las baterías duren más
“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 Feng Lin, profesor asociado de química en Virginia Tech.No te golpea de inmediato. Puede que tardes semanas en darte cuenta. Tienes las baterías AA de iones de litio recién recargadas en la fuente de agua inalámbrica para gatos y duran dos días. Una vez duraron una semana o más. Después de otra ronda de carga, solo duran un día. Pronto, nada.
Sería perdonado si se parara allí y cuestionara sus propias acciones. "Espera, ¿recargué estos?"
Relájate, no eres tú. es la bateria Nada dura para siempre, ni siquiera las supuestas baterías recargables de larga duración, ya sean AA o AAA compradas en una tienda o las baterías dentro de nuestros teléfonos celulares, auriculares inalámbricos o automóviles. Las baterías se deterioran.
Feng Lin, profesor asociado en el Departamento de Química, parte de la Facultad de Ciencias de Virginia Tech, es parte de un nuevo estudio internacional de varias agencias/universidades publicado el 28 de abril de 2022 en Science que da una nueva mirada detrás de la factores que impulsan la vida útil de una batería y cómo esos factores realmente cambian con el tiempo en condiciones de carga rápida. Al principio, según el estudio, la descomposición de la batería parece estar 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.
“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. Su laboratorio ahora está trabajando para rediseñar electrodos de batería con el objetivo de fabricar arquitecturas de electrodos que brinden capacidades de carga rápida y mantengan una vida más larga a una fracción del costo actual, además de ser amigables con el medio ambiente.
“Cuando la arquitectura de los electrodos permita que cada partícula individual responda rápidamente a las señales eléctricas, tendremos una buena caja de herramientas para cargar baterías rápidamente. Estamos entusiasmados de implementar la comprensión de las baterías de carga rápida, de bajo costo y de próxima generación”, dijo Lin.
El estudio, del que Lin es coautor principal, se realiza en colaboración con el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EE. UU., junto con la Universidad de Purdue y la Instalación Europea de Radiación de Sincrotrón. Los investigadores posdoctorales del laboratorio de Lin, Zhengrui Xu y Dong Hou, también coautores del artículo, dirigieron la fabricación de electrodos, la fabricación de baterías y las mediciones de rendimiento de las baterías, y ayudaron con los experimentos de rayos X y el análisis de datos.
"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 (SSRL) y autor principal. en el papel. Por lo tanto, "si desea construir una batería mejor, debe ver cómo juntar las partículas".
Como parte del estudio, Lin, Liu y otros colegas utilizaron técnicas de visión por computadora para estudiar cómo las partículas individuales que componen un electrodo de batería recargable se descomponen 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. El objetivo final natural: aprender nuevas formas de exprimir un poco más la vida útil de los diseños de baterías.
Como parte de su investigación, el equipo estudió los cátodos de las baterías con rayos X. Utilizaron tomografía de rayos X para reconstruir imágenes en 3D de los cátodos de las baterías después de haber pasado por diferentes ciclos de carga. Luego cortaron esas imágenes 3D en una serie de cortes 2D y utilizaron métodos de visión por computadora para identificar partículas. Además de Lin y Liu, el estudio incluyó a Jizhou Li, becaria postdoctoral de SSRL; Keije Zhao, profesor de ingeniería mecánica de Purdue; y Nikhil Sharma, estudiante de posgrado de Purdue.
Los investigadores finalmente identificaron más de 2,000 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 como la frecuencia con la que las partículas entran en contacto directo entre sí y la variación de las partículas. las formas 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. Lo que importa son las interacciones partícula-partícula”, dijo Liu. “Eso es importante 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”.
Lin, miembro del Instituto de Innovación de Macromoléculas en Virginia Tech y miembro afiliado de la facultad del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, parte de la Facultad de Ingeniería de Virginia Tech, agregó: "Hemos estado investigando mucho sobre cómo hacer que las baterías de los vehículos eléctricos funcionen". trabajar de manera eficiente en condiciones de carga rápida y baja temperatura.
“Más allá de diseñar nuevos materiales que puedan reducir el costo de la batería mediante el uso de materias primas más baratas y abundantes, nuestro laboratorio también ha estado trabajando para comprender los comportamientos de la batería lejos del equilibrio”, dijo Lin, “Hemos comenzado a estudiar los materiales de la batería y su respuesta a estos condiciones duras."
Zhao, el profesor de Purdue y coautor principal, comparó el problema de la degradación con las personas que trabajan en grupos. “Las partículas de la batería son como las personas: todos empezamos a seguir 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 tanto el comportamiento individual de las partículas como cómo se comportan esas partículas en grupos”.
Referencia: "Dinámica de la red de partículas en cátodos de batería compuesta" por Jizhou Li, Nikhil Sharma, Zhisen Jiang, Yang Yang, Federico Monaco, Zhengrui Xu, Dong Hou, Daniel Ratner, Piero Pianetta, Peter Cloetens, Feng Lin, Kejie Zhao y Yijin Liu, 28 de abril de 2022, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abm8962
La investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE. UU., el programa de investigación y desarrollo del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y la Fundación Nacional de Ciencias. El SSRL es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
Este artículo utiliza contenido originado por Nathan Collins, oficial de comunicaciones científicas del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC.
