Desde computadoras portátiles hasta teléfonos inteligentes y la floreciente industria de los automóviles eléctricos, nuestro mundo depende cada vez más de las baterías recargables. Pero como cualquiera que haya tenido una computadora portátil por más de unos años sabe, las baterías eventualmente pierden su capacidad de mantener una carga completa.
Los científicos nunca entendieron realmente por qué sucede esto, lo que ha hecho que sea un problema difícil de solucionar. Pero según un par de estudios recientes realizados por investigadores del Departamento de Energía de EE. UU., Publicados en la revista Nature Communications, es posible que estemos más cerca que nunca de una batería que no se degrada.
Trabajando específicamente con baterías de iones de litio, comúnmente utilizadas en dispositivos de consumo debido a su peso ligero y alta capacidad, los científicos han mapeado el proceso de carga y descarga a milmillonésimas de metro para comprender mejor cómo funciona exactamente la degradación. Descubrieron dos culpables en la degradación de la batería. El primero: las vulnerabilidades microscópicas en la estructura del material de la batería dirigen los iones de litio al azar a través de la celda, erosionando la batería de formas aparentemente aleatorias, al igual que el óxido se propaga a través de imperfecciones en el acero. En el segundo estudio, centrado en encontrar el mejor equilibrio entre el voltaje, la capacidad de almacenamiento y los ciclos de carga máxima, los investigadores no solo encontraron problemas similares con el flujo de iones, sino también pequeñas acumulaciones de cristales a nanoescala que las reacciones químicas causaron. flujo de iones para volverse aún más irregular después de cada carga. Funcionando con baterías a voltajes más altos También condujo a más irregularidades en el camino de iones y, por lo tanto, a un deterioro más rápido de la batería.
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Puede parecer que los científicos deberían haber entendido completamente la batería, una tecnología que ha existido efectivamente desde 1800, hace décadas. Pero Huolin Xin, científico de materiales en Brookhaven Lab y coautor de ambos estudios, dice que la combinación ganadora de nuevas tecnologías solo recientemente estuvo disponible.
"Muchas herramientas de caracterización de vanguardia, como los microscopios electrónicos con corrección de aberración y las nuevas técnicas de rayos X de sincrotrón, no estaban disponibles hace 10 años", dice Xin. Pero ahora, dice, se pueden aplicar al estudio de las baterías de iones de litio.
Los nuevos datos brindan a los investigadores una imagen más clara de cómo funcionan estas baterías, lo que podría conducir a baterías de mayor duración en la electrónica de consumo en un futuro no muy lejano. Pero, también presenta nuevos problemas. Xin dice que maximizar el área de superficie es importante para el rendimiento de la batería, pero un área de superficie más grande también facilita la degradación.
"Para evitar [la degradación de la superficie], podemos recubrir el cátodo con una capa de protección", dice Xin, "u ocultar estas superficies creando límites dentro de los polvos de tamaño micrónico [dentro de la célula]".
Encontrar las formas más eficientes y rentables de hacer esto será parte de una fase futura de la investigación.
Pero Daniel Abraham, un científico enfocado en la investigación de baterías de iones de litio en el Laboratorio Nacional de Argonne en las afueras de Chicago, es escéptico de que los nuevos estudios representen un verdadero avance. Él dice que el trabajo de mapeo con materiales similares se ha realizado en el pasado, incluido su equipo hace aproximadamente 12 años. También cree que puede haber más en la degradación de la batería que lo que han encontrado los nuevos estudios.
"Están tratando de hacer una correlación entre la degradación del rendimiento y las imágenes que ven, lo que puede no ser correcto", dice Abraham. "Es parcialmente la historia, pero no creo que sea toda la historia".
Xin es más optimista de que el trabajo conducirá a mejoras en la batería, no solo para futuros vehículos eléctricos, sino también para dispositivos electrónicos portátiles.
"El cátodo de óxido de litio-níquel-manganeso-óxido de cobalto ha sido identificado recientemente como el único material comercialmente viable para las baterías de iones de litio de próxima generación", dice Xin. "Al resolver su problema de degradación, podemos hacer que las baterías de la próxima generación sean más pequeñas y hacer que se carguen y descarguen de manera más confiable".
Sin embargo, los dos expertos en baterías coinciden en que, para muchas aplicaciones futuras importantes, encontrar una manera de fabricar baterías que no se gasten tan rápido es tan importante como crear baterías que tengan una mayor capacidad.
Xin señala que los compradores de automóviles eléctricos se preocupan justificadamente por la falla de la batería después de que expire su garantía. Abraham señala que aunque probablemente solo necesite un par de años de rendimiento de la batería de su teléfono inteligente o tableta, para los vehículos eléctricos, la mayoría de los propietarios buscan una batería que dure de 10 a 15 años. Y para su uso en la red eléctrica (para almacenar el exceso de energía producida en las horas de menor actividad), las baterías deben durar 30 años o más.
Eso hace que construir una mejor batería para su computadora portátil sea mucho más fácil que resolver problemas de longevidad en otras áreas.
"Es bueno tener una mayor densidad de energía, pero si obtienes una alta densidad de energía pero no una larga vida, entonces la viabilidad comercial de esas tecnologías se cuestiona", dice Abraham. "Mientras que si puedes demostrar que tienes una nueva tecnología y puede durar entre dos y 30 años, eso se vuelve comercialmente viable de inmediato".
Si bien el trabajo de Xin y sus colegas puede ayudar a los investigadores a crear baterías que no se degraden tan rápido, está claro que se necesitarán más avances antes de ver baterías recargables que duren una década o más sin un desgaste grave.
