El uso de la microscopía electrónica y el modelado por computadora ha permitido a los científicos conocer, a nivel atómico, como se degradan las baterías de litio.

La vida útil de una batería se mide por la cantidad de ciclos de carga y descarga que soporta sin que se aprecie una degradación excesiva en su capacidad energética. Este proceso hace que los materiales activos del cátodo y el ánodo se expandan y contraigan. Estos cambios de volumen provocan daños que, con el tiempo, hacen que la batería pierda capacidad energética, lo que reduce la autonomía del vehículo en el que está instalada.

Un equipo de científicos de la Universidad de Chicago ha empleado una combinación de técnicas de microscopía electrónica de alta potencia y modelado por computadora para comprender, a nivel atómico, como evoluciona el proceso de degradación. Su investigación puede ayudar a diseñar baterías de litio con una mayor duración.

“Para abordar muchos de los desafíos del almacenamiento de energía debemos seguir innovando y mejorando las baterías”, asegura Y. Shirley Meng, director de la investigación, en el comunicado de prensa oficial de la Universidad de Chicago en el que se describe la investigación publicada en la revista Joule.

El proceso de degradación

El litio es un metal muy ligero con una alta relación densidad de energía-peso. Cuando se carga una batería, los iones de litio pasan del cátodo, con carga positiva, al ánodo con carga negativa. Para liberar energía, los iones regresan del ánodo al cátodo. Al acumular ciclos, los materiales activos del cátodo y el ánodo se expanden y contraen, fisurando las partículas y provocando otros daños físicos que, con el tiempo, hacen que el funcionamiento de las baterías de iones de litio se resienta.

La tecnología muestra cómo evitar la degradación

Hasta hora, varios estudios han caracterizado el agrietamiento y la degradación de las partículas de electrodos pequeños y delgados, que son los que se utilizan en baterías de poca capacidad energética. Sin embargo, en las baterías más grandes, como las que se utilizan en los vehículos eléctricos, es habitual el empleo de electrodos gruesos y con una mayor densidad de energía.

“La cinética de un electrodo grueso es bastante diferente de la de un electrodo delgado”, explica Minghao Zhang, coautor del artículo. “En realidad, la degradación es mucho peor en electrodos más gruesos y de mayor energía”. Su estudio cuantitativo es más complicado ya que las herramientas que anteriormente funcionaban para estudiar electrodos delgados “no pueden capturar las estructuras de materiales más grandes y densos”, añade.

En este nuevo trabajo, Meng, Zhang y sus colaboradores de la empresa de biotecnología Thermo Fisher Scientific, recurrieron a la microscopía electrónica de barrido de haz de iones enfocados en plasma (PFIB-SEM). La técnica PFIB-SEM permite visualizar los cambios que ocurren dentro de estos cátodos gruesos al obtener una imagen en ultra alta resolución de la estructura tridimensional de un material.

Los investigadores compararon un cátodo nuevo con otro que se había cargado y descargado 15 veces. Con ellos, el equipo construyó los modelos computacionales que ilustran el proceso de degradación del cátodo de las baterías.

Conclusiones del estudio

El resultado de la investigación desvela que la variación en la arquitectura de diferentes áreas de la batería es lo que fomentaba muchos de los cambios estructurales. La corrosión del electrolito ocurre con mayor frecuencia en una delgada lámina sobre la superficie del cátodo. Este recubrimiento superior desarrolla una capa resistiva más gruesa, que lleva a la inferior a expandirse y contraerse más que otras partes del cátodo, acelerando la degradación.

El modelo también señala 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. En investigaciones anteriores no se había podido caracterizar su degradación durante el uso de la batería. Sin embargo, este trabajo sugiere que el debilitamiento de los contactos entre el CBD y los materiales activos del cátodo conduce directamente a la disminución del rendimiento de las baterías.

Las baterías del futuro

Con este modelo de cátodo virtual, el grupo estudió los ajustes que hay que realizar en el diseño del electrodo para evitar su degradación. Demostró que cambiar la red de la estructura del CBD podría ayudar a prevenir el empeoramiento de los contactos entre esta y los materiales activos, aumentando la vida útil de las baterías.

Con esta hipótesis, los ingenieros pueden trasladar la idea a experimentos físicos. El equipo está utilizando ahora el mismo planteamiento para estudiar cátodos todavía más gruesos y trabajando sobre modelos adicionales para ralentizar la degradación de los electrodos.