Investigadores de la Universidad del Sur de California están trabajando en un desarrollo destinado a desalentar la degradación de la integridad estructural de las baterías de iones de litio, que es una de las razones que conducen a una caída de la funcionalidad con el tiempo.
Su solución consiste en introducir «estiramiento» en los materiales de la batería para que puedan ser ciclados repetidamente sin fatiga estructural.
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En un artículo publicado en el Journal of Mechanics and Physics of Solids, el equipo de la USC explica que una batería típica funciona a través de un ciclo repetitivo de inserción y extracción de iones de litio de los electrodos. Este proceso expande y comprime las redes de electrodos y estos cambios de volumen crean microfisuras, fracturas y defectos con el tiempo, lo que conduce a la degradación estructural y a la disminución de la capacidad de la batería.
“Eventualmente, necesitamos reemplazar estas baterías, lo que no solo es costoso sino que también agota los elementos de tierras raras que se usan para fabricarlas”, dijo el grupo en un comunicado de prensa.
Para desalentar la degradación, Delin Zhang, autor principal del artículo que estudia los materiales de intercalación, una clase de materiales utilizados como electrodos en las baterías de iones de litio, estira estos electrodos de intercalación con anticipación. 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 a la amorfización, lo que significa que pierden sus propiedades cristalinas.
“Al estirar los electrodos antes de cargarlos y descargarlos, estamos cambiando el panorama energético a través del cual un electrodo pasa del estado cargado al estado descargado”, dijo Zhang en el informe de prensa.
“Esta tensión inicial nos permite reducir la barrera de energía para estas transformaciones y prevenir deformaciones de red perjudiciales que conducen a la falla del material. Este cambio en el panorama energético ayuda a prevenir microfisuras y fracturas, protegiendo la sostenibilidad de la batería y la capacidad de almacenamiento de energía.”
Según el investigador, un beneficio adicional de este enfoque es que, al estirar los electrodos, la batería también puede operar en una ventana de voltaje más amplia, lo que la hace más eficiente en su capacidad de almacenamiento de energía.
También se cree que el desarrollo de Zhang es un paso adelante hacia baterías más seguras y sostenibles al tiempo que aborda los desafíos mecánicos impuestos por los electrolitos líquidos inflamables que se usan típicamente en las baterías al sustituirlos por materiales sólidos.
La coautora Ananya Renuka-Balakrishna explicó que los objetos sólidos pueden deteriorarse con el tiempo cuando se estresan repetidamente, y dijo que una vez que se presenta una grieta, los dos lados de una superficie perderán el contacto. En el caso de la batería, sin la conexión, es difícil transportar iones a través del material.
En opinión de Renuka-Balakrishna, la novedad de este enfoque es que, en lugar de encontrar un nuevo material para mejorar la vida útil de la batería, es posible mejorar la vida útil de un material existente mediante la introducción de conceptos mecánicos fundamentales.
“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”.
El equipo cree que mejorar la vida útil de las baterías beneficiaría a los usuarios de dispositivos electrónicos y vehículos eléctricos, lo que permitiría un uso más prolongado de los dispositivos y minimizaría el reemplazo de la batería, lo que ahorraría dinero y recursos con el tiempo.
