23 de diciembre de 2022 (Noticias de Nanowerk) Desde el momento en que lo usa por primera vez, una batería de iones de litio nueva se está degradando. Después de unos cientos de ciclos de carga, notará que la batería de su teléfono, computadora portátil o automóvil eléctrico se desgasta más rápidamente. Eventualmente, deja de tener carga. Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han utilizado una combinación de microscopía electrónica de alta potencia y modelado computacional para comprender, a nivel atómico, exactamente qué ocurre cuando las baterías de iones de litio se degradan. Su investigación apunta hacia un enfoque para diseñar baterías de iones de litio de mayor duración, centrándose en un componente estructural que a menudo se ignora, el dominio del aglutinante de carbono (CBD). "Para abordar muchos de los desafíos de conversión y almacenamiento de energía del mundo en las próximas décadas, debemos seguir innovando y mejorando las baterías", dijo la profesora Y. Shirley Meng, quien dirigió la investigación, publicada en la revista. Joule (“Acoplamiento de análisis de imágenes multiescala y modelado computacional para comprender los mecanismos de degradación de cátodos gruesos”). “Este trabajo es un paso hacia una tecnología de baterías más eficiente y sostenible”. Los investigadores de PME recopilaron datos sobre cómo evolucionan los diferentes componentes de un electrodo de batería de iones de litio grueso después de ciclos sucesivos (una instantánea de los datos de microscopía que se muestra a la izquierda). Luego, usaron estos datos para crear un modelo computacional (derecha) que ilustra la degradación y señala cómo mejorar la vida útil de las baterías. (Imagen: Laboratorio de Almacenamiento y Conversión de Energía)

Ciclos de carga limitados

La comercialización generalizada de baterías de iones de litio a fines del siglo XX jugó un papel en el advenimiento de la electrónica ligera y recargable. El litio es el metal más ligero y tiene una alta relación densidad-peso de energía. Cuando se carga una batería de iones de litio, los iones de litio pasan de un cátodo con carga positiva a un ánodo con carga negativa. Para liberar energía, esos iones regresan del ánodo al cátodo. A lo largo de los ciclos de carga, los materiales activos del cátodo y el ánodo se expanden y contraen, acumulando “fisuras de partículas” y otros daños físicos. Con el tiempo, esto hace que las baterías de iones de litio funcionen peor. Los investigadores han caracterizado previamente el agrietamiento y la degradación de partículas que se produce en electrodos pequeños y delgados para baterías de iones de litio. Sin embargo, ahora se están desarrollando electrodos más gruesos y con mayor densidad de energía para baterías más grandes, con aplicaciones como automóviles, camiones y aviones eléctricos. “La cinética de un electrodo grueso es bastante diferente de la de un electrodo delgado”, dijo el científico del proyecto Minghao Zhang de la Universidad de California en San Diego, coautor del nuevo artículo. "La degradación es en realidad mucho peor en electrodos más gruesos y de mayor energía, lo que ha sido una lucha para el campo". También es más difícil estudiar cuantitativamente los electrodos gruesos, señaló Zhang. Las herramientas que anteriormente funcionaban para estudiar electrodos delgados no pueden capturar las estructuras de materiales más grandes y densos.

Combinando Microscopía y Modelado

En el nuevo trabajo, Meng, Zhang y colaboradores de Thermo Fisher Scientific recurrieron a la microscopía electrónica de barrido de haz de iones enfocados en plasma (PFIB-SEM) para visualizar los cambios que ocurren dentro de un cátodo grueso de batería de iones de litio. PFIB-SEM utiliza iones y electrones cargados de rayos enfocados para ensamblar una imagen de ultra alta resolución de la estructura tridimensional de un material. Los investigadores utilizaron el enfoque de imágenes para recopilar datos en un cátodo nuevo, así como en uno que se había cargado y agotado 15 veces. Con los datos de los experimentos de microscopía electrónica, el equipo construyó modelos computacionales que ilustran el proceso de degradación de las baterías. "Esta combinación de modelado y datos experimentales de resolución a nanoescala es lo que nos permitió determinar cómo se degrada el cátodo", dijo el investigador postdoctoral de PME Mehdi Chouchane, coautor del artículo. “Sin el modelado, habría sido muy difícil probar lo que estaba sucediendo”. Los investigadores descubrieron que la variación entre las áreas de la batería fomentaba muchos de los cambios estructurales. La corrosión del electrolito ocurrió con mayor frecuencia con una capa delgada en la superficie del cátodo. Por lo tanto, esta capa superior desarrolló una capa resistiva más gruesa, lo que provocó que la capa inferior se expandiera y contrajera más que otras partes del cátodo, lo que provocó una degradación más rápida. El modelo también señaló la importancia del CBD: una rejilla porosa de fluoropolímero y átomos de carbono que mantiene unidos los materiales activos de un electrodo y ayuda a conducir la electricidad a través de la batería. Investigaciones anteriores no han caracterizado cómo se degrada el CBD durante el uso de la batería, pero el nuevo trabajo sugirió que el debilitamiento de los contactos entre el CBD y los materiales activos del cátodo directamente a la disminución del rendimiento de las baterías de iones de litio con el tiempo. “Este cambio fue aún más obvio que el agrietamiento del material activo, que es en lo que se han centrado muchos investigadores en el pasado”, dijo Zhang.

Baterías del futuro

Con su modelo del cátodo, el grupo de Meng estudió cómo los ajustes en el diseño del electrodo podrían afectar su degradación. Demostraron que cambiar la red de la estructura del CBD podría ayudar a prevenir el empeoramiento de los contactos entre el CBD y los materiales activos, haciendo que las baterías duren más, una hipótesis que los ingenieros ahora pueden seguir con experimentos físicos. El grupo ahora está utilizando el mismo enfoque para estudiar cátodos aún más gruesos, además de realizar modelos adicionales sobre cómo ralentizar la degradación de los electrodos. Dijo el Dr. Zhao Liu, gerente sénior de desarrollo del mercado de baterías en Thermo Fisher Scientific, quien contribuyó a la investigación: "Este estudio desarrolla una metodología sobre cómo diseñar electrodos para mejorar el rendimiento futuro de las baterías".

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• Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62073.php